CN116690128A - 一种低合金高强钢-高温合金双金属复合管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高温合金增材制备技术领域，公开了一种低合金高强钢‑高温合金双金属复合管及其制备方法，制备方法包括采用电弧熔丝增材技术在低合金高强钢管的内壁堆焊高温合金，获得低合金高强钢‑高温合金双金属复合管坯；对复合管坯进行均质化处理；对均质化处理后的复合管坯进行锻造变形；对锻造变形后的复合管坯进行热处理，得到成品。本发明通过合理控制电弧增材制备工艺参数，优化复合管坯均质化处理制度，配合锻造变形+性能热处理调控低合金高强钢和高温合金的组织和性能，最终获得了复合界面良好、结合强度高、组织均匀，低合金高强钢外管和高温合金内衬强度高的双金属复合管。
Description
技术领域
本发明属于高温合金增材制备技术领域，尤其涉及一种低合金高强钢-高温合金双金属复合管及其制备方法。
背景技术
随着航空航天、国防军工、机械制造等领域的快速发展，其零部件的结构和功能逐渐复杂化、多样化、整体化、轻量化。传统的铸造、冷/热变形、焊接、热处理等制备模式以及单一金属结构材料已经难以满足高性能复杂结构件的应用需求。金属增材制造技术无需模具，能减少制造工序、缩短制造周期，且能实现复杂结构件的快速、高效、近净成形，为高性能多金属复杂结构件的制备提供了新的制备方法。金属增材制造技术是以金属丝材、棒材或粉末等为原料，通过烧结、熔融、喷射等方式逐层堆积，实现构件整体成形的先进制造技术，可实现功能梯度结构材料、复合结构材料及双金属结构材料的成形制备。根据采用的热源不同，金属增材制造技术主要包括3类：激光增材、电子束增材和电弧增材。电弧增材制造技术是一种以电弧为热源，采用逐层熔覆原理，将熔化的丝材逐层沉积，实现金属构件的成形的先进增材制造技术。与激光、电子束增材制造相比，电弧增材制造技术以丝材为成形材料，具有材料利用率和沉积效率高，适合大型复杂构件的成形，易于进行构件修复等优点，在大型、复杂构件的整体制造中具有广阔的应用前景。
增材成形高温合金零部件已经在航空发动机和燃气轮机上成功应用，但是高温合金在增材制造过程中易形成未熔合、孔洞等缺陷，另一方面，由于高温合金含有大量合金元素，增材制造凝固过程中固液两相温度区间宽，在热应力作用下易产生凝固裂纹。高温合金增材制造凝固时杂质元素和合金元素向枝晶间和晶界偏析，合金元素偏析引起枝晶间或晶界产生粗大的初生相。在后续增材制造热循环快热快冷作用下，杂质元素偏析和初生相引起枝晶间或晶界产生液化裂纹。对于电弧增材熔丝高温合金，焊接工艺参数对高温合金零部件的成形有着非常大的影响，焊接速度、送丝速度以及电压电流等参数对高温合金结构件的组织和性能影响显著。
低合金高强钢-高温合金双金属复合管以低合金高强钢为外管，高温合金为内衬，是一种兼具高强钢的强度、刚度和高温合金的耐腐蚀、耐磨损、抗氧化等综合性能的结构和功能材料，克服了单一金属的性能缺陷，极大发挥了两种金属的优势，具有优异的综合性能和经济效益，在核电、石油化工、国防军工、海洋装备、医疗器械等领域有广阔的应用前景。由于低合金高强钢和高温合金的化学成分、组织结构、变形抗力相差较大，采用传统离心铸造、挤压复合、爆炸复合等工艺，技术难度高，界面结合强度偏低，界面存在缺陷或者有害相。
因此，开发复合界面良好、结合强度高、组织均匀、充分发挥两种金属性能优势的低合金高强钢-高温合金双金属复合管的高效成形制备技术是十分必要的。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种复合界面良好、结合强度高、组织均匀的低合金高强钢-高温合金双金属复合管及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种低合金高强钢-高温合金双金属复合管的制备方法，包括：
采用电弧熔丝增材技术在低合金高强钢管的内壁堆焊高温合金，获得低合金高强钢-高温合金双金属复合管坯；
对复合管坯进行均质化处理；
对均质化处理后的复合管坯进行锻造变形；
对锻造变形后的复合管坯进行热处理，得到成品；
其中，电弧熔丝增材的工艺参数包括：堆焊层的厚度为10-20mm，峰值电流180-250A，基值电流80-160A，焊接电压12-15V，热丝电流30-50A，焊接速度190-300mm/min，送丝速度1-3m/min，脉冲频率2-3Hz，脉冲宽度55-65%。
在本发明的一些实施例中，低合金高强钢的化学成分质量百分比包括：C：0.27-0.34%，Cr：0.6-0.9%，Ni：2.00-2.40%，Mo：0.20-0.30%，V：0.15-0.30%，Si：0.17-0.37%，Mn：0.30-0.60%，余量为Fe和不可避免的杂质。
在本发明的一些实施例中，高温合金的化学成分质量百分比包括：C：0.015-0.060%，Cr：17.00-21.00%，Mo：2.80-3.30%，Al：0.20-0.60%，Ti：0.65-1.15%，Ni：50.00-55.00%，Nb：4.75-5.50%，余量为Fe和不可避免的杂质。
在本发明的一些实施例中，采用电弧熔丝增材技术在低合金高强钢管内壁堆焊高温合金，包括：
以低合金高强钢管为外管，采用钨极惰性气体保护焊在低合金高强钢管的内壁逐层堆焊高温合金层，高温合金焊丝采用直径为Ф1.2mm的光亮退火态焊丝。
在本发明的一些实施例中，采用电弧熔丝增材技术在低合金高强钢管内壁堆焊高温合金之前，还包括：
清理低合金高强钢管内壁的氧化皮；
对修磨后的低合金高强钢管进行预热，预热温度为200-250℃；
清理预热后的低合金高强钢管的内壁；
使用焊接工装夹具固定低合金高强钢管。
在本发明的一些实施例中，对复合管坯进行均质化处理，包括：
将复合管坯加热至1130℃保温10-20h。
在本发明的一些实施例中，对均质化处理后的复合管坯进行锻造变形，包括；
将复合管坯加热至1100℃保温时间2h，开锻温度≥1040℃，终锻温度≥980℃；
锻造过程中采用带芯棒锻造，将带芯棒预热至350-450℃，锻后空冷，控制锻造变形量40%-50%。
在本发明的一些实施例中，对锻造变形后的复合管坯进行热处理，包括：
对复合管坯进行固溶处理，在920-970℃保温1h后空冷；
对固溶处理后的复合管坯进行时效处理，在720℃保温8h后，以50℃/h的速率炉冷至620℃，保温8h后空冷；
对时效处理后的复合管坯进行淬火处理，在825-850℃保温30min后空冷或油冷；
对淬火处理后的复合管坯进行回火处理，在550-600℃保温1h后空冷。
另一方面，本发明还公开了一种低合金高强钢-高温合金双金属复合管，采用上述的方法制备而成。
本发明的技术效果和优点：
本发明所述的低合金高强钢-高温合金双金属复合管的制备方法，通过合理控制电弧增材制备工艺参数，获得复合界面结合良好的双金属复合管坯，优化复合管坯均质化处理制度控制堆焊层的微观组织，通过锻造变形+性能热处理调控低合金高强钢和高温合金的组织和性能，最终获得了复合界面良好、结合强度高、组织均匀，低合金高强钢外管和高温合金内衬强度高的双金属复合管。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明一种低合金高强钢-高温合金双金属复合管的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例1低合金高强钢-高温合金双金属复合管焊态的复合界面微观组织示意图；
图3为本发明实施例1低合金高强钢-高温合金双金属复合管热处理态的复合界面微观组织示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种低合金高强钢-高温合金双金属复合管的制备方法，包括：
采用电弧熔丝增材技术在低合金高强钢管的内壁堆焊高温合金，获得低合金高强钢-高温合金双金属复合管坯；
对复合管坯进行均质化处理，消除堆焊层有害相；
对均质化处理后的复合管坯进行锻造变形，使低合金高强钢和高温合金分别充分发生动态再结晶；
对锻造变形后的复合管坯进行热处理，使低合金高强钢和高温合金分别达到最优性能，得到成品；
其中，电弧熔丝增材的工艺参数包括：堆焊层的厚度为10-20mm，峰值电流180-250A，基值电流80-160A，焊接电压12-15V，热丝电流30-50A，焊接速度190-300mm/min，送丝速度1-3m/min，脉冲频率2-3Hz，脉冲宽度55-65%。
在本发明的一些实施例中，低合金高强钢的化学成分质量百分比包括：C：0.27-0.34%，Cr：0.6-0.9%，Ni：2.00-2.40%，Mo：0.20-0.30%，V：0.15-0.30%，Si：0.17-0.37%，Mn：0.30-0.60%，余量为Fe和不可避免的杂质。
在本发明的一些实施例中，高温合金的化学成分质量百分比包括：C：0.015-0.060%，Cr：17.00-21.00%，Mo：2.80-3.30%，Al：0.20-0.60%，Ti：0.65-1.15%，Ni：50.00-55.00%，Nb：4.75-5.50%，余量为Fe和不可避免的杂质。
在本发明的一些实施例中，采用电弧熔丝增材技术在低合金高强钢管内壁堆焊高温合金，包括：
以低合金高强钢管坯为外管，采用钨极惰性气体保护焊在低合金高强钢管坯的内壁逐层堆焊高温合金层，高温合金焊丝采用直径为Ф1.2mm的光亮退火态焊丝。
在本发明的一些实施例中，采用电弧熔丝增材技术在低合金高强钢管内壁堆焊高温合金之前，还包括：
清理低合金高强钢管内壁的氧化皮；
对修磨后的低合金高强钢管进行预热，预热温度为200-250℃；
清理预热后的低合金高强钢管的内壁；
使用焊接工装夹具固定低合金高强钢管。
在本发明的一些实施例中，对复合管坯进行均质化处理，包括：
将复合管坯加热至1130℃保温10-20h，使Laves相充分溶解，消除元素偏析。
在本发明的一些实施例中，对均质化处理后的复合管坯进行锻造变形，包括；
将复合管坯加热至1100℃保温时间2h，开锻温度≥1040℃，终锻温度≥980℃；
锻造过程中采用带芯棒锻造，将带芯棒预热至350-450℃，锻后空冷，控制锻造变形量40%-50%。
在本发明的一些实施例中，对锻造变形后的复合管坯进行热处理，包括：
对复合管坯进行固溶处理，在920-970℃保温1h后空冷；
对固溶处理后的复合管坯进行时效处理，在720℃保温8h后，以50℃/h的速率炉冷至620℃，保温8h后空冷；
对时效处理后的复合管坯进行淬火处理，在825-850℃保温30min后空冷或油冷；
对淬火处理后的复合管坯进行回火处理，在550-600℃保温1h后空冷。
另一方面，本发明公开了一种低合金高强钢-高温合金双金属复合管，采用上述的方法制备而成。
为了更好的说明本方案，还提供了以下实施例。
实施例1
本实施例中，低合金高强钢的化学成分质量百分比包括：C：0.27-0.34%，Cr：0.6-0.9%，Ni：2.00-2.40%，Mo：0.20-0.30%，V：0.15-0.30%，Si：0.17-0.37%，Mn：0.30-0.60%，余量为Fe和不可避免的杂质，高温合金的化学成分质量百分比包括：C：0.015-0.060%，Cr：17.00-21.00%，Mo：2.80-3.30%，Al：0.20-0.60%，Ti：0.65-1.15%，Ni：50.00-55.00%，Nb：4.75-5.50%，余量不可避免的杂质。
S1：修磨清理干净低合金高强钢管内壁的氧化皮等杂质，然后进行预热，预热温度为200℃。预热出炉后再次清理低合金高强钢管内壁。清理完成后，将低合金高强钢管用焊接工装夹具固定。
S2：以低合金高强钢管为外管，采用钨极惰性气体保护焊(Tungsten inert gas，TIG)在低合金高强钢管内壁逐层堆焊高温合金焊丝，高温合金采用直径为Ф1.2mm的光亮退火态焊丝，堆焊层的厚度为10mm，焊接工艺参数为：峰值电流245A，基值电流150A，焊接电压13V，热丝电流50A，焊接速度280mm/min，送丝速度1.5m/min，脉冲频率2Hz，脉冲宽度60%，得到低合金高强钢-高温合金双金属复合管坯。
S3：对低合金高强钢-高温合金双金属复合管坯进行均质化处理，热处理制度为：在1130℃保温10h。
S4：对均质化处理后的复合管坯进行锻造变形，锻造加热温度1100℃，保温时间2h，开锻温度≥1040℃，终锻温度≥980℃，锻造过程中采用带芯棒锻造，带芯棒预热400℃，锻后空冷，控制锻造变形量40%。
S5：对锻造后的复合管坯进行热处理，热处理制度为：在920℃保温1h后空冷，然后在720℃保温8h后，以50℃/h炉冷至620℃，保温8h，空冷，然后在825℃保温30min后油冷，最后在560℃保温1h后空冷，得到成品。
本实施例S2制得的低合金高强钢-高温合金双金属复合管坯（焊态）复合界面微观组织如图2所示，本实施例制得的成品（热处理态）的复合界面微观组织如图3所示，界面复合良好。成品的低合金高强钢外管、高温合金内衬、复合界面室温下的抗拉强度检测结果如表1所示，成品比焊态的力学性能有明显提高。
表1 实施例1制备的成品和焊态复合管室温下力学性能
实施例2
本实施例中，低合金高强钢的化学成分质量百分比包括：C：0.27-0.34%，Cr：0.6-0.9%，Ni：2.00-2.40%，Mo：0.20-0.30%，V：0.15-0.30%，Si：0.17-0.37%，Mn：0.30-0.60%，余量为Fe和不可避免的杂质，高温合金的化学成分质量百分比包括：C：0.015-0.060%，Cr：17.00-21.00%，Mo：2.80-3.30%，Al：0.20-0.60%，Ti：0.65-1.15%，Ni：50.00-55.00%，Nb：4.75-5.50%，余量为Fe和不可避免的杂质。
S1：修磨清理干净低合金高强钢管内壁的氧化皮等杂质，然后进行预热，预热温度为250℃。预热出炉后再次清理低合金高强钢管内壁。清理完成后，将低合金高强钢管用焊接工装夹具固定。
S2：以低合金高强钢管为外管，采用钨极惰性气体保护焊(Tungsten inert gas，TIG)在低合金高强钢管坯内壁逐层堆焊高温合金焊丝，高温合金采用直径为Ф1.2mm的光亮退火态焊丝，堆焊层的厚度为20mm，焊接工艺参数为：峰值电流200A，基值电流110A，焊接电压14.5V，热丝电流40A，焊接速度210mm/min，送丝速度2m/min，脉冲频率2.5Hz，脉冲宽度60%，得到低合金高强钢-高温合金双金属复合管坯。
S3：对低合金高强钢-高温合金双金属复合管坯进行均质化处理，热处理制度为：在1130℃保温20h。
S4：对均质化处理后的复合管坯进行锻造变形，锻造加热温度1100℃，保温时间2h，开锻温度≥1040℃，终锻温度≥980℃，锻造过程中采用带芯棒锻造，带芯棒预热400℃，锻后空冷，控制锻造变形量50%。
S5：对锻造后的复合管坯进行热处理，热处理制度为：在970℃保温1h后空冷，然后在720℃保温8h后，以50℃/h炉冷至620℃，保温8h，空冷，然后在850℃保温30min后空冷，最后在600℃保温1h后空冷，得到成品。
本实施例的焊态和热处理态低合金高强钢-高温合金双金属复合管，低合金高强钢外管、高温合金内衬、复合界面室温下的抗拉强度检测结果如表2所示，热处理态比焊态的力学性能有明显提高。
表2 实施例2制备的成品和焊态复合管室温下力学性能
综上，本发明通过合理控制电弧增材制备工艺参数，获得复合界面结合良好的双金属复合管坯，优化复合管坯均质化处理制度控制堆焊层的微观组织，通过锻造变形+性能热处理调控低合金高强钢和高温合金的组织和性能，最终获得了复合界面良好、结合强度高、组织均匀，低合金高强钢外管和高温合金内衬强度高的双金属复合管。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低合金高强钢-高温合金双金属复合管的制备方法，其特征在于，包括：
采用电弧熔丝增材技术在低合金高强钢管的内壁堆焊高温合金，获得低合金高强钢-高温合金双金属复合管坯；
对所述复合管坯进行均质化处理；
对均质化处理后的所述复合管坯进行锻造变形；
对锻造变形后的所述复合管坯进行热处理，得到成品；
其中，电弧熔丝增材的工艺参数包括：堆焊层的厚度为10-20mm，峰值电流180-250A，基值电流80-160A，焊接电压12-15V，热丝电流30-50A，焊接速度190-300mm/min，送丝速度1-3m/min，脉冲频率2-3Hz，脉冲宽度55-65%。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述低合金高强钢的化学成分质量百分比包括：C：0.27-0.34%，Cr：0.6-0.9%，Ni：2.00-2.40%，Mo：0.20-0.30%，V：0.15-0.30%，Si：0.17-0.37%，Mn：0.30-0.60%，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述高温合金的化学成分质量百分比包括：C：0.015-0.060%，Cr：17.00-21.00%，Mo：2.80-3.30%，Al：0.20-0.60%，Ti：0.65-1.15%，Ni：50.00-55.00%，Nb：4.75-5.50%，余量为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的采用电弧熔丝增材技术在低合金高强钢管内壁堆焊高温合金，包括：
以低合金高强钢管为外管，采用钨极惰性气体保护焊在所述低合金高强钢管的内壁逐层堆焊高温合金层，高温合金焊丝采用直径为Ф1.2mm的光亮退火态焊丝。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述的采用电弧熔丝增材技术在低合金高强钢管内壁堆焊高温合金之前，还包括：
清理所述低合金高强钢管内壁的氧化皮；
对修磨后的所述低合金高强钢管进行预热，预热温度为200-250℃；
清理预热后的所述低合金高强钢管的内壁；
使用焊接工装夹具固定所述低合金高强钢管。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的对所述复合管坯进行均质化处理，包括：
将所述复合管坯加热至1130℃保温10-20h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的对均质化处理后的所述复合管坯进行锻造变形，包括；
将所述复合管坯加热至1100℃保温时间2h，开锻温度≥1040℃，终锻温度≥980℃；
锻造过程中采用带芯棒锻造，将带芯棒预热至350-450℃，锻后空冷，控制锻造变形量40%-50%。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述的对锻造变形后的所述复合管坯进行热处理，包括：
对所述复合管坯进行固溶处理，在920-970℃保温1h后空冷；
对固溶处理后的所述复合管坯进行时效处理，在720℃保温8h后，以50℃/h的速率炉冷至620℃，保温8h后空冷；
对时效处理后的所述复合管坯进行淬火处理，在825-850℃保温30min后空冷或油冷；
对淬火处理后的所述复合管坯进行回火处理，在550-600℃保温1h后空冷。
9.一种低合金高强钢-高温合金双金属复合管，其特征在于，所述双金属复合管采用权利要求1-8任意一项所述的方法制备而成。
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