一種用於原位合成MoSi的製作方法
2023-10-04 05:54:24
專利名稱：一種用於原位合成MoSi的製作方法
技術領域：
本發明屬於抗高溫氧化表面技術領域，特別是提供了一種用於原位合成MoSi2堆焊層的粉芯焊絲，用於鎢極氬弧堆焊法原位合成。
在各種抗高溫氧化塗覆層中，矽化物塗層具有最佳的高溫抗氧化性。而在矽化物中，MoSi2因具有極好的抗高溫氧化性、抗腐蝕性能和高的硬度而成為一種極具競爭力的抗高溫氧化材料。
以MoSi2為代表的鉬矽化物可作為高溫合金、難熔合金等材料的耐高溫腐蝕塗覆層。傳統的MoSi2塗覆層在基體(如Mo合金)和塗層之間存在明顯的界面，因兩者熱膨脹係數不同，極易造成塗層的開裂剝落，一般壽命不長，僅用於一些工作壽命較短的高溫部件。採用增加塗覆層厚度、塗覆層的合金化和塗覆層材料的緻密化等方法是提高MoSi2塗覆層在高溫氧化環境下工作壽命的有效手段。
塗覆層的合金化是改善塗覆層綜合性能、提高塗覆層壽命的重要途徑。塗覆層中加入B、Cr、W、Ge等元素，有利於降低薄膜的熔化溫度、提高塗層自動治癒能力、改善鉬矽化物塗層的塑性，提高熱循環條件下塗層的壽命。
目前的技術主要用於製備厚度小於2mm的MoSi2塗層或擴滲層，現有的製備技術主要有包滲法、料漿法、熱浸法、氣相沉積法、溶鹽法、熱噴塗法、雷射熔覆合成法以及其它複合表面技術等。除熱噴塗和雷射熔覆法外，許多工藝均需要將基體材料置於較高溫度環境中來製備塗層。氣相沉積法能得到較高性能的塗層，但也存在生產效率較低、設備成本高、塗層厚度小於mm級、處理物大小受真空爐限制等局限性。總體來看，國內外現有熱噴塗工藝大都是將已合成的MoSi2哦粉末噴塗至工件表面，所得到的鉬矽化物塗層的厚度一般為0.2-2mm，仍不能滿足工件工作壽命長的要求。熱噴塗法製備鉬矽化物塗層的局限性在於(1)一般不能原位合成鉬矽化物塗層；(2)塗層厚度一般小於2mm；(3)塗層的氣孔率為1-15％；(4)塗層與基體一般為機械結合，結合強度為10-80MPa。
發明內容
本發明的目的在於提供一種用於原位合成MoSi2堆焊層的粉芯焊絲，解決了原位合成厚度為2-10mm MoSi2堆焊層的技術難題。
本發明的焊絲採用鉬外皮包Mo、Si粉的粉芯焊絲以及鉬外皮包Si、B、Cr、W、Ge等粉末的粉芯焊絲，通過鎢極氬弧焊的冶金過程原位合成MoSi2或合金化MoSi2堆焊層，堆焊層與基體為冶金結合。
本發明焊絲採用鎢極氬弧堆焊法原位合成MoSi2堆焊層的粉芯焊絲製備。
1、粉芯焊絲的外皮為金屬鉬箔，粉芯材料由Si和Mo粉組成，焊絲外皮Mo與粉芯中粉料的重量配比為Mo外皮30％-35％，Mo粉34％-40％，其中Mo外皮與Mo粉的總重量在粉芯焊絲中所佔重量百分比為69％-70％，餘量為Si粉；
2、粉芯焊絲的外皮為金屬鉬箔，粉芯材料由Si、B、Cr、W、Ge等元素組成；外皮Mo與粉芯中粉料的重量配比為Mo外皮54-64％，B粉2-5％，Cr粉3-10％，W粉2-5％，Ge粉1-2％，餘量為Si粉；其中B、Cr、W、Ge粉重量之和所佔百分比為8-15％；3、外皮所用鉬箔厚度為50-120μm，粉芯焊絲的單位長度的重量為0.5-2g/cm；4、推薦選用的各種粉末的粒度為Si粉200-300目，B粉300-400目，Cr粉250-400目，W粉300-450目，Ge粉300-400目。
該粉芯焊絲的具體施工原理如下利用鎢極氬弧焊槍加熱粉芯焊絲，焊絲Si顆粒首先熔化並同Mo的外表面(Mo顆粒或Mo箔)接觸而發生放熱反應生成MoSi2(合成MoSi2的絕熱燃燒溫度約為1900K)；通過原位合成MoSi2過程中的放熱反應，可提高電弧熔化區的瞬時溫度；伴隨著電弧能量的輸入，當反應物溫度超過MoSi2熔點2030K時，Mo-Si形成熔融熔體；當電弧因移動而離開Mo-Si熔體後，Mo-Si熔體由於基體自激冷和空氣對流作用而凝固，形成凝固的MoSi2堆焊層；由於空氣中氧的作用，堆焊層中有時會存在少量的Mo17O47相，由於反應物的局部偏析的原因，堆焊層有時存在少量的Mo5Si3相或MoSi0.65相。
本發明的優點在於，可使用常規的直流鎢極氬弧焊設備進行堆焊，可選擇最大工作電流為300-400A的鎢極氬弧焊設備。單槍堆焊時，單道堆焊層橫截面為盈月狀，如需形成寬度大於3-5mm的堆焊層時，須採用多道搭接堆焊法，氬弧重熔搭接區寬度約為2-3mm，通過搭接堆焊形成的單層堆焊層厚度可達2-4mm，重複堆焊可形成厚度達4-10mm厚的堆焊層。
實施堆焊時，可手工操作或自動操作焊槍進行堆焊(工件或焊槍按編程自動移動)，為了儘可能保證在氬弧區域的焊絲中心線與氬弧移動的中心線重合，推薦採用手工送焊絲的餵料方式。為了避免堆焊後因冷卻速度過快引起的穿透性裂紋，需採用緩冷措施(施工時在已完成的堆焊區覆蓋石棉、堆焊完畢後將工件在爐內保溫並隨爐冷卻)。
不同單位長度重量焊絲所推薦的焊接電流及焊槍移動速度如表1所示表1單位長度重量焊絲所推薦的焊接電流及焊槍移動速度
在製造工藝上為了保證獲得高純度的MoSi2物堆焊層，需採用超聲波清洗去除工件表面的油汙、鏽蝕和水分。該製造工藝比較簡單、易於控制，成本低。
圖1為採用氬弧堆焊法在A3鋼基體上原位合成MoSi2堆焊層的x射線衍射圖譜及分析結果。
圖2為採用氬弧堆焊法在高溫合金(GH3039)基體上原位合成MoSi2堆焊層的x射線衍射圖譜及分析結果。
圖3為採用氬弧堆焊法在Mo基體上原位合成MoSi2堆焊層的x射線衍射圖譜及分析結果。
圖4為氬弧堆焊法在A3鋼基體上原位合成MoSi2堆焊層的微觀組織形貌-50x。
圖5為氬弧堆焊法在A3鋼基體上原位合成MoSi2堆焊層的微觀組織形貌-2kx。
圖6為圖5中1點處的能譜結果。
圖7為圖5中2點處的能譜結果。
圖8為採用氬弧堆焊法在A3鋼基體上原位合成合金化MoSi2堆焊層的x射線衍射圖譜及分析結果。
圖9為氬弧堆焊法在A3鋼基體上原位合成合金化MoSi2堆焊層的微觀組織形貌-60x。
圖10為氬弧堆焊法在A3鋼基體上原位合成合金化MoSi2堆焊層的微觀組織形貌-1kx。
圖11為圖10中1點處的能譜結果。
具體實施例方式
實施例1按表2配料形成粉芯焊絲，分別在A3鋼、高溫合金(GH3039)和Mo基體上堆焊MoSi2層，堆焊參數如表3所示。圖1～圖3為三種基體上的堆焊層X衍射分析結果，從圖1中可以看出，基體為A3鋼時，在堆焊層中除檢測到了MoSi2外，還有少量的Mo5Si3、Si5C3等相；從圖2中可以看出，基體為GH3039時，在堆焊層中除檢測到了MoSi2外，還有少量的MoSi0.65相。從圖3中可以看出，基體為Mo時，在堆焊層中除檢測到了MoSi2外，還有少量的Mo17O47相。
圖4～圖7為氬弧堆焊法A3鋼基體上原位合成MoSi2堆焊層的顯微組織和能譜分析結果。從圖6和圖7中可以看出，在堆焊層中檢測到了Mo、Si和由基體擴散到堆焊層中的Fe。這說明採用本發明提供的粉芯焊絲可以成功地在各種基材上原位合成MoSi2堆焊層。
表2粉芯焊絲配料表
表3堆焊參數表
實施例2按表4配料形成粉芯焊絲，在A3鋼基體上堆焊合金化MoSi2層，堆焊電流為140A，焊槍移動速度為1.5mm/s。圖8為堆焊層的X衍射分析結果，從圖8中可以看出，在堆焊層中除檢測到了MoSi2外，還有WSi2、CrSi2等相。
圖9～圖11為氬弧堆焊法A3鋼基體上原位合成合金化MoSi2堆焊層的顯微組織和能譜分析結果。從圖11中可以看出，在堆焊層中檢測到了Mo、Si、Cr、W、B、Ge。這說明採用本發明提供的粉芯焊絲可以成功地在各種基材上原位合成合金化MoSi2堆焊層。
表4合金化粉芯焊絲配料表
權利要求
1.一種用於原位合成MoSi2堆焊層的粉芯焊絲，其特徵在於粉芯焊絲的外皮為金屬鉬箔，粉芯材料由Si和Mo粉組成，焊絲外皮Mo與粉芯中粉料的重量配比為Mo外皮30％-35％，Mo粉34％-40％，其中Mo外皮與Mo粉的總重量在粉芯焊絲中所佔重量百分比為69％-70％，餘量為Si粉。
2.按照權利要求1所述粉芯焊絲，其特徵在於粉芯焊絲的外皮為金屬鉬箔，粉芯材料由Si、B、Cr、W、Ge元素組成；外皮Mo與粉芯中粉料的重量配比為Mo外皮54-64％，B粉2-5％，Cr粉3-10％，W粉2-5％，Ge粉1-2％，餘量為Si粉；其中B、Cr、W、Ge粉重量之和所佔百分比為8-15％。
3.按照權利要求1或2所述粉芯焊絲，其特徵在於外皮所用鉬箔厚度50-120μm，粉芯焊絲的單位長度的重量為0.5-2g/cm。
全文摘要
一種用於原位合成MoSi
文檔編號B23K35/02GK1974111SQ200610165338
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月18日 優先權日2006年12月18日
發明者劉宗德, 劉靜靜, 寶志堅 申請人:華北電力大學