改進的或有關高溫下耐蝕的疊層金屬結構的製作方法

2023-04-28 10:11:31

專利名稱：改進的或有關高溫下耐蝕的疊層金屬結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及高溫下耐蝕的疊層金屬結構。
發電廠所用的汽輪機的部件通常由於多種機械的原因包括磨蝕、衝蝕、侵蝕、腐蝕和金屬與金屬摩擦而遭到嚴重的磨蝕。在位於高壓汽輪機上部和下部汽輪的汽流導向處的關鍵部件和襯套尤其敏感到這種現象。這些部件典型地用不鏽鋼亦即含鉻12%的材料製造。由於這種金屬在其回火條件下是不硬的(15-20洛氏「C」硬度即15-20HRC)，通常使用諸如硬表面層或覆蓋層(Cladding)的保護層來延長這些部件的使用壽命。
所用的這種保護層之一是鎢鉻鈷硬質合金「6」(STELLITE「6」)，它是非常硬的金屬，已經是硬化表面使用的一種標準材料。它通常產生一種能抗金屬與金屬磨損、磨蝕和碰撞的表面。然而，由於局部地在含鉻12%的底金屬和焊接溶敷物之間的熱膨脹係數不同，因而STELLITE經常伴隨有裂紋。而且，此種裂紋也可以伸延進入底金屬中，因為焊接溫度而常常強烈地使它變硬。這可能導致部件過早損壞而需修理或更換。
更換這些磨損、侵蝕或裂紋的部件可能是很大的花費。單是停機每天就可能花費10萬美元，因為電的應用是把電力賣到其他地方以滿足用戶的需要。除了這種花費以外，還有僱用修理人員以及購買和儲備備件的費用也是相當大的。
在為了減少停機和必然的花費而做的努力中，現在開發了多種新的合金，以延長汽輪機部件的使用壽命。其中一種合金是來自印第安納州Kokomo的Cabot公司的三基合金(TRIBALOY)400。三基合金是一種鈷基合金，因此，即使高溫下它也保持其硬度。請參閱T.B.Jefferson等人所著1983年2月俄亥俄州克利夫(Cleveland，OH，)市出版的「金屬及其焊接「一書中的JamesF.Lincoln的「電弧焊接原理」，結合該文章藉此作為參考文獻。三基合金的溶敷物(deposits)和以12%鉻為基礎的不鏽鋼底金屬的受熱影響區域遺憾地在焊接後有裂紋和砂眼，因此，並不完全令人滿意。
為了產生冶金上合格的溶敷物，焊接工業已經傳統地依靠一種「隔離」層。隔離作為一種手段已經在商業文獻上公開，它把一種過渡合金放到底金屬上，隨後將被焊到不同的化學組成的部件上。1985年2月出版的Birchfield著「焊接設計與加工」第38-48頁「局部損壞或金屬覆蓋尺寸過小的補救」，該文也作為參考文獻。Birchfield的文章評論了各種工藝過程和選擇金屬覆蓋層的材料，它揭示了隔離在不同合金之間提供一個冶金的橋樑，並且揭示了隔離材料必須是容易地可焊接在底金屬上，並與焊接填充金屬是一致的，焊接填充金屬將把隔離部分和配接部分結合在一起。該文章還揭示了如下的例子焊著在碳鋼或低合金鋼襯底上的高鎳焊接金屬，後來被焊在高合金鋼的低金屬上;鎳鉻鐵合金在焊到不鏽鋼之前，先焊在不鏽鋼覆蓋層的底合金鋼上。這個參考文獻雖然講述了對隔離層的一種用法，但是未能提出有關熱衝擊和汽輪機部件底金屬裂縫的問題。而且，這一參考文獻要求隔離層在附著到底金屬的配接部分之前，先被焊接到單獨的隔離部分上。
因此，仍然需要硬化表面金屬的表面的一種方法，以提供具有延長使用壽命的汽輪機部件。還需要一種修理的工藝過程，以使在發電設備上不鏽鋼的潛在焊接應力和裂紋減至最小。
因此，本發明屬於用於在高溫下耐損的一種疊層金屬結構，其特徵為，所述的結構包括(1)由不鏽鋼組成的底金屬;(2)主要包括鎳、鎳基合金、或它們的混合物的隔離層，所述的隔離層被固接(bond)在所述的底金屬上;和(3)層疊在所述的隔離層上面的一種硬表面，所述的隔離層和所述的硬表面層的所述的組合形成了一個堅固地連續的外套，以保護所述的底金屬免遭在高溫下磨蝕。最好是，隔離層和硬表面層焊接。
本發明還包括一種製造疊層金屬結構的方法，正如在前面最後一段所引用的，其特徵為，底金屬和它堅固地連續的外套加熱一段足夠的時間，以至少減輕一部分由於應用所述的隔離層和硬表面層所引起的應力。
這種熱處理工藝過程特別適於減輕溶敷物的焊接應力，和在底金屬的受熱影響區域內馬氏體的回火。硬表面層和隔離層的組合體，特別是採用焊後熱處理，將對汽輪機部件提供更長的使用壽命和較少的修理停機。最好是，隔離層含鉻超過12%(重量)，這樣，在焊接期間底金屬的鉻含量就不會由底金屬擴散開。本發明的疊層金屬結構實際上避免了與焊接有關的熱或冷裂紋。這種硬表面結構是特別適用於發電設備中含鉻12%的汽輪機部件。
為此，本發明提供一種疊層金屬結構，在高溫下耐蝕性最好，並且提供一種硬表面的方法，用於相同的目的。在這裡敘述的工藝過程和結構可以在任何高溫作業中應用，例如在熱處理爐、內燃機和閥門上應用。然而，本發明特別適用於汽輪機部件，尤其適用於由那些含鉻12%的不鏽鋼所製造的部件，它們在充滿蒸汽的缸腔內經受嚴重的氧化和劃痕。設計該結構和方法來保護相當軟的不鏽鋼底金屬，這些金屬在大約華氏900度以上受到金屬與金屬的摩擦。置於底金屬和硬表面層之間的隔離層由鎳、鎳基合金、或者兩者混合物構成。選擇這些材料做隔離層是因為鎳及其合金具有的熱膨脹係數，它介於通常用於汽輪機上的不鏽鋼底層的熱膨脹係數和最硬表面材料的熱膨脹係數之間。硬表面層最好含有鈷，以便在發電廠運行條件下保持疊層金屬結構的高溫硬度。
為更清楚地理解本發明，現在將用舉例的方式並結合附圖加以敘述本發明的實施例，附圖是疊層金屬結構的斷面透視圖。
參考

圖1，這裡示出一個疊層金屬結構100，設計該結構是為了耐蝕，特別是在高溫下耐蝕。圖1中的結構，舉例來說，可以代表汽輪機部件的一部分，諸如關鍵部件或襯套。結構100包括由不鏽鋼組成的底金屬10，一隔離層20固接在底金屬10上，隔離層20主要由鎳、鎳基合金、或它們的混合物構成。疊置在隔離層上面的是通常用硬表面材料做成的硬表面層30，但是它最好含鈷以改善高溫硬度。本發明的隔離層20和硬表面層30的組合體形成了一個堅固地連續的外套，以保護底金屬10免遭高溫下的磨蝕。在這裡使用的，「外套」指的是任何機械或冶金地把金屬固接到底金屬10上，而且包括由於覆蓋(Cladding)、焊接或熱噴塗產生的溶敷物。
本發明的底金屬10最好是約含8-16鉻的鉻不鏽鋼。通常，這種材料指的是不含鎳的不鏽鋼類，這類不鏽鋼常常稱為「純鉻」不鏽鋼或馬化體不鏽鋼。然而，鋼的馬氏體特性在很大程度上根據含碳量，高含碳量往往使鋼更加烏氏體化。這些鋼通常被認為是可以進行熱處理的，並包括如下不鏽鋼規格號碼(美國鋼鐵學會標準)AISI403，AISI410，AISI414，AISI416，AISI418專用，420，420Se，431，AISI440A，AISI440B，AISI440C和AISI440Se。用於製造汽輪機部件(即關鍵部件和襯套)的基本型號是AISI410或AISI403，這兩種中的每一種的鉻含量約為12%。由於合金中其它成分的作用，這一系列材料能從焊接溫度強烈地淬火，甚至用空氣冷卻也是如此，如果不採用保護措施，它們(還有使用它們的焊接材料)可能出現裂紋，這是因為產生了高硬度的緣故。然而，予熱這些鋼材可以降低溫差，並使鋼材慢慢冷卻，這將會減少裂紋出現的趨向。底金屬和焊接結構保持儘可能沒有裂紋以避免失敗是本發明的主要目的。
雖然一種純12%鉻材料諸如AISI403或AISI410用作本發明的底材料是較好的，但是硬表面技術還使用了軟鋼(低碳鋼)、合金鋼、高碳鋼和/或這些鋼材的組合物。然而，由於汽輪機發電廠的環境是有腐蝕性的，因此這種較好的底金屬10的疊層金屬結構是不鏽鋼，更好是含鉻12%的不鏽鋼。
本發明的隔離層20是一種具有熱膨脹係數其值在底金屬的熱膨脹係數和硬表面層的膨脹係數之間的軟材料。最好的是，該隔離層主要由鎳、鎳基合金、或它們的混合物構成。隔離層20固接在底金屬10上最好是焊接。隔離層20還增加了該結構的總體強度，因為在硬表面層30和底金屬10之間的固接靠它自身是不可能有足以保持多層硬表面溶敷物不致脫開的強度。請參閱T.B.Jefferson等人所著「金屬及其焊接」一書第297-298頁。
本發明的隔離層選擇較軟的材料以經受住由焊接過程的熱所引起的熱膨脹的衝擊。鎳及其合金作為用於本發明的隔離層20的較好金屬，因為這些材料的熱膨脹係數介於較好的、含鉻12%的底金屬的熱膨脹係數和較好的、硬表面材料的熱膨脹係數之間。鎳和鎳合金還有許多附加的優點，因為它們甚至在高溫下仍具有優良的耐蝕和耐氧化閱埽掛蛭鞘溝糜鋅贍苡媒蝦玫撓脖礱娌牧細哺遣愣揮忻饗緣牧鹽啤４送猓衾氬 0還應含有約12(重量)%以上的鉻。這樣，在焊接期間避免鉻從含鉻12%的不鏽鋼中擴散進入焊接的溶敷物中，並且保持底金屬10的耐蝕性。
有一種重要的、可用於本目的的合金就是蒙乃爾高強度耐蝕鎳銅錳鐵合金(MONEL)，它是鎳67%、銅28%、錳和矽5%相組合的。MONEL用在汽輪機部件遭受磨損和腐蝕的地方特別有價值。同樣有用的是MONEL的各種淬火後的變種，諸如KMONEL，HMONEL，SMONEL，RMONEL和NMONEL。用於隔離層20最好的材料是鉻鎳鐵合金(因康鎳合金INCONEL)，它是鎳鉻合金。對本發明的目的特別有價值的材料是INCONEL-82、ASMESF5.14、ERNICR-3類，該材料按重量百分比呈現如下合成碳(0.1);錳(2.5-3.5);鐵(3.0);磷最大(0.03);硫最大(0.05);矽(0.5);銅最大(0.5);鎳最小(67.0);鈷最大(0.1);鈳和鉭(2.0-3.0);鈦最大(0.75);鉭(0.3);和鉻(18.0-22.0)。隔離層20通常具有厚度大約0.25毫米至5毫米，較好的是約2毫米。在固接到底金屬以後，通過機械加工該層，可以得到這個厚度。
選擇用於硬表面層30的材料應具有洛氏硬度讀數顯著大於底金屬的硬度讀數，最好是在30-55Rc(即30-55HRC;30-55洛氏硬度「C」)的範圍。一般來說，硬表面材料的選擇可根據予計的運行要求和磨蝕的性質以及其他條件來決定。用於本發明的典型的硬表面合金包括碳化鉻合金、碳化鎢合金、高碳鉻合金、奧氏體錳鋼、奧氏體不鏽鋼(鎳鉻型鋼)、高速工具鋼、空氣或油淬火工具鋼、中碳和合金鋼、鈷基硬表面材料和鎳基硬表面合金。本發明的硬表面合金最好是包含鈷，以給予已完工的汽輪機部件高溫下的高硬度。最好的材料是三基合金(TRIBALOY)-400和鎢鉻鈷硬質合金(STELLITE)-6，前者被選為汽輪機轉動部件的較好材料，後者被選為汽輪機轉動部件的較好材料。儘管STELLITE-6是普通的材料，TRIBALOY-400是相對比較新的合金材料，它主要包含(以重量百分比計)碳(0.02)、矽(2.6)、鉻(8.5)、鉬(28.5)、鎳和鐵(3.0)、其餘是鈷。這些材料被選擇只是作為例子而已，而那些本技術上的專業人員可以找到呈現相似特性的各種合金的替代品。本發明的硬表面層具有約為1.27-6.35毫米的厚度較好，更好的是約4.57毫米。
隔離層20和硬表面層30可用那些在金屬加工業中已知的任一機械的、冶金的、或化學的手段固接到或配置在底金屬10上。最好是，隔離層20焊到底金屬上，接著把硬表面層30焊到該隔離層上。為這個目的，可應用的典型的外套加工方法包括熱噴塗、等離子體傳導電弧焊、有保護的金屬電弧焊、金屬焊條惰性氣體保護焊接(MIG)或鎢電極惰性氣體保護電弧焊接(TIG)。對本發明的目的最好的方法是鎢電極惰性氣體保護電弧焊接。下面是對應用於較佳隔離層20的INCONEL-82，和應用於較佳硬表面層30的TRIBALOY-400，使用鎢電極惰性氣體保護電弧焊接的方法較佳基本參數的詳細總結基本參數材料INCONEL-82TRIBALOY-400電流(安培)150-180200-225電壓(伏特)20-2525-30氣流(立方英尺/分)1515焊條直徑(吋)3/323/16保護氣體氬99.8%氬99.8%電極鎢2%釷2%釷在本發明的一個較佳方法中，使用上述的工藝規程，把INCONEL-82焊到底金屬上，以提供大約2.54毫米厚度的隔離層。該隔離層最好是被機械加工至約2.03毫米的厚度。由此得出的，包括底金屬和隔離層的中等的組合物在硬表面層30焊在隔離層20上之前和在焊接期間，被加熱到約232℃-482℃，最好是約400℃。正如此處使用的，在硬表面層30焊接期間襯底層的溫度稱為「層間的溫度」。
予先加熱韻鋁懈饗釷怯欣模海 )當應用電弧焊時，減小不鏽鋼熱衝擊損壞的可能性;(2)緩慢冷卻以防止形成過大的融合區;(3)防止焊接本身硬度過大;(4)使焊接處和底金屬的冷卻均衡，以此將收縮裂縫的可能性減至最小。請參閱T.B.Jefferson等人所著「金屬及其焊接」第332頁。
在焊著硬表面材料之後，疊層金屬結構最好是用焊後熱處理來回火。當底金屬10是較好的、含鉻12%的不鏽鋼時，選擇焊後熱處理的溫度應高到足以使馬氏體回火形成在這個底金屬內。較好的熱處理工藝過程包括已焊好的結構加熱一段時間，這段時間足夠至少減輕由於本發明的方法的各種固接步驟所引起的最大應力。本發明的較佳熱處理溫度範圍是593°-627℃。
由上述固接操作所產生的疊層金屬結構100通常在溫度約為232-482℃。該結構可以允許在隔離的空氣中冷卻，或者在放入熱處理爐之前保持在其層間溫度左右。該疊層金屬結構100然後以約每小時30-40℃加熱，最好是約每小時38℃，直到獲得約593-627℃的均勻的溫度為止。然後將該結構100保持此溫度約1-3小時。最好是，使該結構保持在最佳溫度按該部件的每一吋厚度應該保持一小時，對那些厚度小於1吋的部件，最少要保持一小時。在熱處理以後，最好讓該部件在約每小時低於38℃的速率冷卻。這可以在一個隔熱的環境內完成冷卻，即在蛭石爐、Kaowool(考伍爾)爐或慢速冷卻爐內冷卻。這一冷卻步驟是連續的，至少直到疊層金屬結構100得到約149℃均勻的溫度為止，在此溫度下，冷卻速率已不重要，並且該結構可以被暴露在環境溫度下。必須注意的是，這個熱處理工藝過程只是為了說明性的，而那些本技術的專業人員可以找到代替的熱處理工藝程序，這些程序將給底金屬的焊件和熱效應區域提供足夠的回火。
總之，本發明提供一種疊層金屬結構100，它顯示出較少的缺點，而同時都保持了從室溫至高溫的耐蝕性能。由INCONEL82和TRIBALOY-400組成的較佳的組合體產生出一個具有洛氏「C」硬度約40-50讀數的表面。INCONEL82隔離層具有一熱膨脹係數介於底金屬的熱膨脹係數和硬表面材料TRIBALOY-400的熱膨脹係數之間。同時，INCONEL82由18.0-22.0(重量)%的鉻構成，它使得把這種合金焊著在含鉻最低程度的不鏽鋼底金屬上。最後，本發明的結構容易的使用現有的焊接工藝規程製造，並且提供更加耐久的汽輪機部件。
對於在汽輪機系統內位於導流處的不鏽鋼關鍵部件和襯套而言，這種結構和方法特別有利於減少裂紋和有利於延長使用壽命。這些部件可用上述的含鎳隔離層覆蓋，然後覆蓋上硬表面。因此，被這樣保護之後，高溫下的汽輪機系統可以正常運行而較少因為需要更換這些關鍵部件而停機。
由前所述，可以了解到本發明提供一種用於在高溫下耐蝕的改進的疊層金屬結構和方法。該疊層金屬結構利用一種新的、能提供一種緩衝和限制由於焊接過程引起的熱衝擊的隔離層。因此，本發明提供一種較堅固的硬表面焊件，尤其是一種更經濟的TRIBALOY應用的工藝規程，沒有由於焊接溶敷物的裂紋而造成的高廢品率。
權利要求
1.一種用於高溫下耐蝕的疊層金屬結構，其特徵為，所述的結構包括(a).由不鏽鋼組成的底金屬；(b)主要由鎳、鎳基合金、或其混合物所組成的一層隔離層，所述的隔離層被固接在所述的底金屬上和(c)被疊置在所述的隔離層上的一層硬表面層，所述的隔離層和所述的硬表面層的所述組合體形成一種堅固地連續的外套，用以在高溫下保護所述的底金屬免遭磨蝕。
2.按照權利要求1的一種結構，其特徵為，該底金屬包含8-16(重量)%鉻。
3.按照權利要求2的一種結構，其特徵為，該底金屬包含12(重量)%鉻。
4.按照權利要求1、2或3的一種結構，其特徵為，該隔離層含鉻。
5.按照權利要求4的一種結構，其特徵為，該隔離層至少包含12(重量)%鉻。
6.按照權利要求1-5的任何一項的一種結構，其特徵為，該硬表面層含鈷。
7.按照權利要求6的一種結構，其特徵為，該硬表面層大約主要包括碳0.02重量%，矽2.6重量%，鉻8.5重量%，鉬28.5重量%，鎳和鐵3.0重量%其餘是鈷。
8.按照權利要求1-7的任何一項的一種結構，其特徵為，該隔離層和硬表面層用焊接焊上。
9.按照權利要求1-8的任何一項的一種結構，其特徵為，該隔離層具有0.25-5毫米的厚度。
10.按照權利要求1-9的任何一項的一種結構，其特徵為，該硬表面層具有1.27-6.35毫米的厚度。
11.生產如權利要求1-10的任何一項所述的一種疊層金屬結構的方法，其特徵為，該底金屬和它堅固地連續的外套加熱一段時間，這段時間足以至少減輕一部分由於所述隔離層和硬表面層所引起的應力。
12.按照權利要求11的一種方法，其特徵為，熱處理溫度在593℃-627℃。
13.按照權利要求12的一種方法，其特徵為，加熱持續時間為1-3小時。
14.按照權利要求11、12或13的一種方法，其特徵為，在熱處理以後，該結構在低於每小時38℃的速率下冷卻。
15.按照權利要求14的一種方法，其特徵為，冷卻是連續的，直到到達大約149℃的均勻溫度為止。
16.按照權利要求14或15的一種方法，其特徵為，在一個隔熱環境中冷卻 是有效的。
17.按照權利要求11-16的任何一項的一種方法，在硬表面層焊接到隔離層之前，該底金屬和它的隔離層先予熱至232℃-482℃。
18.按照權利要求17的一種方法，其特徵為，予熱處理溫度為400℃。
19.按照權利要求17或18的一種方法，其特徵為，至少在焊接硬表面層期間，底金屬和隔離層保持在層間的溫度232℃-482℃。
20.按照權利要求19的一種方法，其特徵為，底金屬和隔離層保持在層間的溫度大約400℃。
全文摘要
一種用於在高溫下汽輪機部件的耐蝕的硬表面不鏽鋼底金屬的疊層金屬結構和方法。疊層金屬結構採用一層隔離層，它夾在不鏽鋼底金屬和硬表面層之間。隔離層主要由鎳、或鎳基合金構成，而且選擇具有介於底金屬熱膨脹係數和硬表面材料熱膨脹係數之間的熱膨脹係數。這個改進的結構產生一種相對地免除裂紋的焊著溶敷物，它可以提供更長的使用壽命汽輪機部件，因此較少因修理而停機。
文檔編號B23K35/00GK1031201SQ88103708
公開日1989年2月22日 申請日期1988年6月21日 優先權日1987年6月22日
發明者賈維德·伊克伯爾·昆萊西, 羅蘭德·享利·考夫曼, 米徹爾·厄爾·安德生, 威廉·萊斯特·斯帕爾 申請人:西屋電氣公司