CN115255718A - 一种镍基合金焊丝及其制备方法和应用 - Google Patents

一种镍基合金焊丝及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍基合金焊丝及其制备方法和应用，属于合金焊丝技术领域；按质量百分比计，原料组分为：Cr：15.0‑20.0％，Mo：8.0‑10.0％，Ti：2～5％，Bi：3～8％，Fe：2～5％，Mn≤0.50％，Al≤0.40％，Si≤0.50％，C≤0.10％，S≤0.015％，稀土纳米粉末0.1～0.2％，其余为Ni。本发明通过在镍基合金焊丝的制备原料中加入一定量的Bi和稀土纳米粉末，使得不用进行去氢退火，也能实现拉拔至直径小于3mm，并且拉拔过程中不用控制较低的加工率，在减少拉拔次数的同时，得到表面光滑、力学性能符合要求的镍基合金焊丝。

Description

一种镍基合金焊丝及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于合金焊丝技术领域，具体涉及一种镍基合金焊丝及其制备方法和应用。
背景技术
液化天然气(LNG，Liquefied Natural Gas)是一种重要能源，其用量大、需求范围广，因此，用于LNG储存和运输的LNG罐的需求也较高。目前常用的LNG储罐中，06Ni9DR钢制造LNG储罐，不仅能提升储罐整体结构的可靠性，而且能减少液化天然气的浪费。但是，由于06Ni9DR钢的焊接难度大、技术含量高，在焊接过程中容易产生冷热裂纹、低温冲击韧性下降等问题，在一定程度上影响了LNG储罐的制造质量和推广应用。同时，06Ni9DR钢的焊接对焊丝的要求也较高，要求焊丝不仅需较细，且其表面应光滑，避免因表面含有皱纹、裂缝等对操作和焊缝金属性能产生不利影响。此外，焊丝的力学性能要求也较高，需要与母材的塑性和强度相匹配，即需要有合适的抗拉强度和延伸性。
目前为了得到直径较小的焊丝，通常在拉拔过程中，采用少量多次的多道拉拔工艺，并在拉拔过程中或拉拔后进行去氢退火处理，以克服氢的存在导致的拉伸延性不足的问题，同时，去氢退火也能防止焊丝产生氢脆并使其表面整洁、光亮，满足使用要求。但上述操作却使得制备工艺繁琐，耗时费力。因此，如果能在简化制备工艺的前提下，得到表面光滑、平整，且力学性能符合要求的焊丝，对于LNG储罐的制备和推广将具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种镍基合金焊丝及其制备方法和应用。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供了一种镍基合金焊丝，按质量百分比计，原料组分为：Cr：15.0-20.0％，Mo：8.0-10.0％，Ti：2～5％，Bi：3～8％，Fe：2～5％，Mn≤0.50％，Al≤0.40％，Si≤0.50％，C≤0.10％，S≤0.015％，稀土纳米粉末0.1～0.2％，其余为Ni；所述稀土纳米粉末为Gd、Tb或Dy中的一种或多种。
进一步地，按质量百分比计，原料组分为：Cr：18.0％，Mo：9.0％，Ti：5％，Bi：5％，Fe：3％，Mn：0.30％，Al：0.20％，Si：0.50％，C：0.10％，S：0.010％，稀土纳米粉末0.2％，其余为Ni；所述稀土纳米粉末为Gd、Tb或Dy中的一种或多种。
本发明还提供了上述所述的镍基合金焊丝的制备方法，包括以下步骤：
(1)合金熔炼，按照所述组分进行配料，将原料在真空环境下进行熔炼，浇注成电极棒；
(2)电渣重熔，将步骤(1)得到的电极棒作为自耗电极插入熔渣内，在惰性气氛保护下进行电渣重熔，完成后冷却至室温，得到镍基合金铸锭，去除铸锭表面的氧化皮；
(3)锻造开坯，将步骤(2)中去除氧化皮的镍基合金铸锭放入加热炉内，加热并保温后进行锻造，将合金锻造成合金坯，并冷却至室温；
(4)热轧退火，将步骤(3)冷却后的合金坯表面修磨后，加热热轧成盘圆丝材，冷却至室温；
(5)酸洗、修磨，用酸清洗步骤(4)得到的丝材，去除表面的氧化皮和锈蚀物，然后修整打磨；所述酸优选为浓度为4～6mol/L的硫酸。
(6)拉拔，将步骤(5)酸洗、修磨后的丝材拉拔至直径为1.2～1.5mm，即得所述镍基合金焊丝。
进一步地，步骤(2)中，所述熔渣成分为SiO2：3％，Al2O3：18％，FeO：0.1％，MgO：8％，CaF2：50％，CaO：13％，CeO2：7.9％；电流2100～2300A，钢锭封顶补缩电流0～1500A，封顶时间3～5min，停电冷却5～10min脱锭。
进一步地，步骤(3)中，所述加热温度为1050～1100℃，保温时间为60～70min，所述锻造的终煅温度为900℃。
进一步地，步骤(4)中，所述加热至1050～1100℃。
进一步地，步骤(6)中，拉拔的具体方法为：分4～5个道次依次拉拔，每道次拉拔加工率为20～40％。
本发明同时提供了一种上述所述的镍基合金焊丝在LNG储罐焊接中的应用。
进一步地，所述LNG储罐罐体材料为06Ni9DR钢。
进一步地，所述镍基合金焊丝用于LNG储罐焊接时采用自动埋弧焊焊接方法，为多道多层焊，焊接电流：360～380A，焊接电压：26～28V，焊接速度：50～100cm/min，电流种类：交流，焊接线能量在45KJ/cm以下。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过在镍基合金焊丝的制备原料中加入一定量的Bi和稀土纳米粉末，使得在制备过程中不用进行去氢退火，也能实现拉拔至直径小于3mm，并且拉拔过程中不用控制较低的加工率，在减少拉拔次数的同时，得到表面光滑、力学性能符合要求的镍基合金焊丝。
采用本发明的原料制备镍基合金焊丝时，在减少拉拔次数的基础上，依然有较高的成材率。
采用本发明制备的镍基合金焊丝对母材为06Ni9DR钢板的LNG储罐进行焊接时，能够避免热影响区低温冲击韧性下降的缺陷。
本发明的制备方法简单易操作，适合大规模推广使用。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
本实施例的镍基合金焊丝，合金的组分及质量百分比为：Cr：18.0％，Mo：9.0％，Ti：5％，Bi：5％，Fe：3％，Mn：0.30％，Al：0.20％，Si：0.50％，C：0.10％，S：0.010％，稀土Gd纳米粉末0.2％，其余为Ni。
镍基合金焊丝的制备方法为：
(1)按照上述合金组分及质量百分比配料，将原料在真空环境下进行熔炼，浇注成直径为120mm的电极棒；
(2)电渣重熔，将步骤(1)得到的电极棒的表面进行打磨处理后作为自耗电极插入熔渣内，在氩气保护下进行电渣重熔，完成后在空气中冷却至室温，得到镍基合金铸锭，并用车床去除铸锭表面的氧化皮，所用的重熔渣料成分为SiO2：3％，Al2O3：18％，FeO：0.1％，MgO：8％，CaF2：50％，CaO：13％，CeO2：7.9％；电流2100～2300A，钢锭封顶补缩电流0～1500A，封顶时间3～5min，停电冷却10min脱锭；
(3)锻造开坯，将步骤(2)中去除氧化皮的镍基合金铸锭放入加热炉内，加热至1100℃，保温60min后进行锻造，终煅温度为900℃，将合金锻造成80mm×80mm的合金坯，在空气中并冷却至室温；
(4)热轧退火，将步骤(3)冷却后的合金坯表面修磨后，放入步进式加热炉内加热至1050℃后热轧成直径为8mm的盘圆丝材，在空气中冷却至室温；
(5)酸洗、修磨，用5mol/L的硫酸清洗步骤(4)得到的丝材，去除表面的氧化皮和锈蚀物，然后修整打磨；
(6)拉拔，将步骤(5)酸洗、修磨后的丝材拉拔至直径为1.2mm，即为镍基合金焊丝。具体的拉拔工艺为：按照丝材直径为：8.0mm—4.8mm—3.2mm—2.2mm—1.6mm—1.2mm，依次进行拉拔；保持拉丝塔轮、导向轮、收线盘等部件高度光洁；拉丝润滑剂采用玻璃润滑剂，将盘圆丝材逐步拉细；
(7)绕盘，将步骤(6)中得到的直径为1.2mm的焊丝绕制成盘状。
实施例2
本实施例的镍基合金焊丝，合金的组分及质量百分比为：Cr：15.0％，Mo：10.0％，Ti：4％，Bi：3％，Fe：5％，Mn：0.20％，Al：0.30％，Si：0.40％，C：0.10％，S：0.010％，稀土Dy纳米粉末0.1％，其余为Ni。
镍基合金焊丝的制备方法为：
(1)按照上述合金组分及质量百分比配料，将原料在真空环境下进行熔炼，浇注成直径为120mm的电极棒；
(2)电渣重熔，将步骤(1)得到的电极棒的表面进行打磨处理后作为自耗电极插入熔渣内，在氩气保护下进行电渣重熔，完成后在空气中冷却至室温，得到镍基合金铸锭，并用车床去除铸锭表面的氧化皮，所用的重熔渣料成分为SiO2：3％，Al2O3：18％，FeO：0.1％，MgO：8％，CaF2：50％，CaO：13％，CeO2：7.9％；电流2100～2300A，钢锭封顶补缩电流0～1500A，封顶时间3～5min，停电冷却5min脱锭；
(3)锻造开坯，将步骤(2)中去除氧化皮的镍基合金铸锭放入加热炉内，加热至1050℃，保温70min后进行锻造，终煅温度为900℃，将合金锻造成80mm×80mm的合金坯，在空气中并冷却至室温；
(4)热轧退火，将步骤(3)冷却后的合金坯表面修磨后，放入步进式加热炉内加热至1050℃后热轧成直径为8mm的盘圆丝材，在空气中冷却至室温；
(5)酸洗、修磨，用5mol/L的硫酸清洗步骤(4)得到的丝材，去除表面的氧化皮和锈蚀物，然后修整打磨；
(6)拉拔，将步骤(5)酸洗、修磨后的丝材拉拔至直径为1.2mm，即为镍基合金焊丝。具体的拉拔工艺为：按照丝材直径为：8.0mm—4.8mm—3.2mm—2.2mm—1.6mm—1.2mm，依次进行拉拔；保持拉丝塔轮、导向轮、收线盘等部件高度光洁；拉丝润滑剂采用玻璃润滑剂，将盘圆丝材逐步拉细；
(7)绕盘，将步骤(6)中得到的直径为1.2mm的焊丝绕制成盘状。
实施例3
本实施例的镍基合金焊丝，合金的组分及质量百分比为：Cr：20.0％，Mo：8.0％，Ti：2％，Bi：8％，Fe：2％，Mn：0.30％，Al：0.30％，Si：0.40％，C：0.10％，S：0.010％，稀土Tb纳米粉末0.15％，其余为Ni。
镍基合金焊丝的制备方法为：
(1)按照上述合金组分及质量百分比配料，将原料在真空环境下进行熔炼，浇注成直径为120mm的电极棒；
(2)电渣重熔，将步骤(1)得到的电极棒的表面进行打磨处理后作为自耗电极插入熔渣内，在氩气保护下进行电渣重熔，完成后在空气中冷却至室温，得到镍基合金铸锭，并用车床去除铸锭表面的氧化皮，所用的重熔渣料成分为SiO2：3％，Al2O3：18％，FeO：0.1％，MgO：8％，CaF2：50％，CaO：13％，CeO2：7.9％；电流2100～2300A，钢锭封顶补缩电流0～1500A，封顶时间3～5min，停电冷却8min脱锭；
(3)锻造开坯，将步骤(2)中去除氧化皮的镍基合金铸锭放入加热炉内，加热至1100℃，保温60min后进行锻造，终煅温度为900℃，将合金锻造成80mm×80mm的合金坯，在空气中并冷却至室温；
(4)热轧退火，将步骤(3)冷却后的合金坯表面修磨后，放入步进式加热炉内加热至1100℃后热轧成直径为8mm的盘圆丝材，在空气中冷却至室温；
(5)酸洗、修磨，用5mol/L的硫酸清洗步骤(4)得到的丝材，去除表面的氧化皮和锈蚀物，然后修整打磨；
(6)拉拔，将步骤(5)酸洗、修磨后的丝材拉拔至直径为1.2mm，即为镍基合金焊丝。具体的拉拔工艺为：按照丝材直径为：8.0mm—4.8mm—3.2mm—2.2mm—1.6mm—1.2mm，依次进行拉拔；保持拉丝塔轮、导向轮、收线盘等部件高度光洁；拉丝润滑剂采用玻璃润滑剂，将盘圆丝材逐步拉细；
(7)绕盘，将步骤(6)中得到的直径为1.2mm的焊丝绕制成盘状。
对比例1
同实施例1，区别在于，原料中不加入稀土Gd纳米粉末，其余组分加入的质量同实施例1，镍基合金焊丝的制备方法也同实施例1。
对比例2
同实施例1，区别在于，将原料中的稀土Gd纳米粉末等质量替换为稀土La纳米粉末，其它原料种类及用量同实施例1，镍基合金焊丝的制备方法也同实施例1。
对比例3
采用与实施例1相同的原料制备镍基合金焊丝，制备方法也同实施例1，区别仅在于，步骤(2)的重熔渣料中不加入CeO2，重熔渣料的其余组分加入的质量同实施例1。
对比例4
采用与实施例1相同的原料制备镍基合金焊丝，制备方法为：
(1)按照上述合金组分及质量百分比配料，将原料在真空环境下进行熔炼，浇注成直径为120mm的电极棒；
(2)电渣重熔，将步骤(1)得到的电极棒的表面进行打磨处理后作为自耗电极插入熔渣内，在氩气保护下进行电渣重熔，完成后在空气中冷却至室温，得到镍基合金铸锭，并用车床去除铸锭表面的氧化皮，所用的重熔渣料成分为SiO2：3％，Al2O3：18％，FeO：0.1％，MgO：8％，CaF2：50％，CaO：13％，CeO2：7.9％；电流2100～2300A，钢锭封顶补缩电流0～1500A，封顶时间3～5min，停电冷却10min脱锭；
(3)锻造开坯，将步骤(2)中去除氧化皮的镍基合金铸锭放入加热炉内，加热至1100℃，保温60min后进行锻造，终煅温度为900℃，将合金锻造成80mm×80mm的合金坯，在空气中并冷却至室温；
(4)热轧退火，将步骤(3)冷却后的合金坯表面修磨后，放入步进式加热炉内加热至1050℃后热轧成直径为8mm的盘圆丝材，在空气中冷却至室温；
(5)酸洗、修磨，用5mol/L的硫酸清洗步骤(4)得到的丝材，去除表面的氧化皮和锈蚀物，然后修整打磨；
(6)拉拔，将步骤(5)酸洗、修磨后的丝材拉拔至直径为1.2mm，即为镍基合金焊丝。具体的拉拔工艺为：按照丝材直径为：8.0mm—4.8mm—3.2mm—2.2mm—1.6mm—1.2mm，依次进行拉拔；保持拉丝塔轮、导向轮、收线盘等部件高度光洁；拉丝润滑剂采用玻璃润滑剂，将盘圆丝材逐步拉细；并在丝材直径拉拔至2.2mm时，进行去氢退火处理，具体的处理方法为：将丝材加热至1100℃进行去氢退火处理，处理后进行矫直；
(7)绕盘，将步骤(6)中得到的直径为1.2mm的焊丝绕制成盘状。
对比例5
同实施例1，区别在于，原料中不加入Bi，其余组分加入的质量同实施例1，镍基合金焊丝的制备方法也同实施例1。
效果验证
1.统计实施例1～3及对比例1～5的成材率，结果如表1所示：
表1
Figure BDA0003834204750000111
由表1可以看出，采用本发明的方法制备镍基合金焊丝时，虽然在拉拔过程中没有进行去氢退火处理，且拉拔过程的加工率较高，但是依然能够很好地得到镍基合金焊丝，成材率较高。
2.采取实施例1～3及对比例1～5中的焊丝通过自动埋弧焊对06Ni9DR钢试板进行焊接，母材尺寸为300mm×150mm×25mm，采用V型坡口，开口角度为55°；焊接电流：370A，焊接电压：28V，焊接速度：58mm/min，电流种类：交流，焊接线能量控制在45KJ/cm以下，采用多道多层焊接工艺，层间温度控制在100℃以下。06Ni9DR钢试板焊接完毕后按照GB/T13814中的要求进行试样加工和力学性能测试，结果如表2所示：
表2
组别 抗拉强度/MPa 延伸率/％ 断裂位置
实施例1 795.4 38.47 母材
对比例1 715.8 28.79 母材
对比例2 728.7 30.15 母材
对比例3 730.5 31.27 母材
对比例4 796.6 39.56 母材
对比例5 738.3 33.12 母材
由表2可知，在室温下焊接时，本发明制备的镍基合金焊丝的熔敷金属具有较高的抗拉强度和延伸率，符合LNG储罐罐材06Ni9DR钢对焊缝熔敷金属性能的要求。经检测，实施2及实施例3制备的镍基合金焊丝通过自动埋弧焊对06Ni9DR钢试板进行焊接后，力学性能测试结果与实施例1基本一致。
同时，对各组焊缝外观进行观察发现，其成形良好，焊后无焊接裂纹、气孔、夹渣、未熔合等缺陷产生，焊缝宽窄一致，焊缝金属跟母材熔合良好。
各组焊丝焊缝熔敷金属在-196℃下的冲击性能测试结果如表3所示(试样尺寸：50mm×10mm×10mm)：
表3
Figure BDA0003834204750000121
Figure BDA0003834204750000131
由表3可以看出，各组热影响区的冲击吸收功均高于焊缝，并且对实施例1与对比例1～4、对比例5的测试结果进行比较可知，实施例1的热影响区的冲击吸收功更高，能更好地避免焊接过程中06Ni9DR钢低温韧性的下降的问题。经检测，实施2及实施例3的焊丝焊缝熔敷金属在-196℃下的冲击性能测试结果与实施例1基本一致。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种镍基合金焊丝，其特征在于，按质量百分比计，原料组分为：Cr：15.0-20.0％，Mo：8.0-10.0％，Ti：2～5％，Bi：3～8％，Fe：2～5％，Mn≤0.50％，Al≤0.40％，Si≤0.50％，C≤0.10％，S≤0.015％，稀土纳米粉末0.1～0.2％，其余为Ni；所述稀土纳米粉末为Gd、Tb或Dy中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的镍基合金焊丝，其特征在于，按质量百分比计，原料组分为：Cr：18.0％，Mo：9.0％，Ti：5％，Bi：5％，Fe：3％，Mn：0.30％，Al：0.20％，Si：0.50％，C：0.10％，S：0.010％，稀土纳米粉末0.2％，其余为Ni；所述稀土纳米粉末为Gd、Tb或Dy中的一种或多种。
3.一种权利要求1或2所述的镍基合金焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照所述组分进行配料，将原料在真空环境下进行熔炼，浇注成电极棒；
(2)将步骤(1)得到的电极棒作为自耗电极插入熔渣内，在惰性气氛保护下进行电渣重熔，完成后冷却至室温，得到镍基合金铸锭，去除铸锭表面的氧化皮；
(3)将步骤(2)中去除氧化皮的镍基合金铸锭放入加热炉内，加热并保温后进行锻造，将合金锻造成合金坯，并冷却至室温；
(4)将步骤(3)冷却后的合金坯表面修磨后，加热热轧成盘圆丝材，冷却至室温；
(5)用酸清洗步骤(4)得到的丝材，去除表面的氧化皮和锈蚀物，然后修整打磨；
(6)将步骤(5)酸洗、修磨后的丝材拉拔至直径为1.2～1.5mm，即得所述镍基合金焊丝。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述熔渣成分为SiO2：3％，Al2O3：18％，FeO：0.1％，MgO：8％，CaF2：50％，CaO：13％，CeO2：7.9％；电流2100～2300A，钢锭封顶补缩电流0～1500A，封顶时间3～5min，停电冷却5～10min脱锭。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述加热温度为1050～1100℃，保温时间为60～70min，所述锻造的终煅温度为900℃。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述加热至1050～1100℃。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，拉拔的具体方法为：分4～5个道次依次拉拔，每道次拉拔加工率为20～40％。
8.一种权利要求1或2所述的镍基合金焊丝在LNG储罐焊接中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述LNG储罐罐体材料为06Ni9DR钢。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述镍基合金焊丝用于LNG储罐焊接时采用自动埋弧焊焊接方法，为多道多层焊，焊接电流：360～380A，焊接电压：26～28V，焊接速度：50～100cm/min，电流种类：交流，焊接线能量在45KJ/cm以下。
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