CN107810087A - 一种使用填充金属通过焊接连接FeCrAl合金和FeNiCr合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及一种使用焊接以通过使用特定填充金属来将FeCrAl合金连接至FeNiCr合金的方法。本公开内容还涉及由该方法获得的产品。此外，本公开内容涉及所述方法的用途，特别是在高温应用中的用途。

Description

一种使用填充金属通过焊接连接FeCrAl合金和FeNiCr合金的 方法
技术领域
本公开内容涉及一种使用焊接以通过使用特定填充金属来将FeCrAl合金连接(join)至FeNiCr合金的方法。本公开内容还涉及由该方法获得的产品。此外，本公开内容涉及由所述方法获得产品的用途，特别是在高温应用中的用途。
背景技术
在许多工业工艺中，存在高温和不良气氛。在这个环境中，材料可能快速氧化或腐蚀和/或蠕变。这样的环境的一个实例是用于获得用于聚合物制造的乙烯的热裂解工艺。这对于所使用的材料的耐腐蚀性和高温强度提出了高要求。在这种工艺中，目标是提高材料的使用寿命，以便减少维修停机次数和昂贵的修理费用。还有一个目标是，提高制造工艺中的温度，以便提高生产率。
一种用于高温应用的材料是铁素体的铁-铬-铝(FeCrAl)合金。在许多情况下，当将FeCrAl合金用作结构材料(construction material)时，需要将其连接至另一高温材料，该另一高温材料常常是奥氏体不锈钢，诸如FeNiCr合金。然而，在通过焊接连接这两种材料上存在挑战，因为材料化学的不同，导致难以形成金属间(intermetallic)相，这将损害焊缝的机械性能。
WO 2014/204388 A1公开了一种用于焊接的填充物，包含(以重量％计)：C：Ni：15.0-20.0，Cr：15.0-22.0，Mn：0.75-2.0，Zr：0.1-1.45，Si：0-1.5，Al：0-2，N：＜0.06，余量Fe和不可避免的杂质。
US 2006/163231 A1公开了一种铁素体不锈钢焊丝，其基本上由以下组成：以质量计0.03％或更少的C、3％或更少的Si、3％或更少的Mn、2％或更少的Ni、11-20％的Cr、3％或更少的Mo、1％或更少的Co、2％或更少的Cu、0.02-2.0％的Al、0.2-1.0％的Ti、0.02％或更少的O、0.04％或更少的N，以及Nb和Ta中的至少一种，其质量％是所述C和所述N的总质量百分比的八倍至1.0质量％，余量Fe和不可避免的杂质。
因此非常重要的是，最小化和/或消除在焊接期间形成的脆性中间相的形成，特别是待连接的物体在高温应用中使用的情况下更是如此。同样重要的是，在焊接中避免脆性析出物的连续膜的形成，因为这也将降低焊接的机械性能。
因此，本公开内容的一个方面是提供一种通过焊接将FeCrAl合金连接至FeNiCr合金的方法，在该方法中，抑制或避免了上述问题中的至少一个问题。
附图说明
图1A和B公开了在750℃下老化5000h的焊接样品的微结构。图1A是FeNiCr-金属填充物，且图1B)是FeCrAl-金属填充物。
图2A和B公开了焊接后原样的和在750℃下老化5000h的FeNiCr-金属填充物-FeCrAl的抗拉强度。图2A)显示了在室温(RT)下的情况，且图2B)是在750℃下的情况。
图3公开了在816℃下所施加的应力和断裂时间的关系。
图4公开了FeCrAl-金属填充物-FeNiCr在816℃下的硬度测试。
定义
在本发明中，术语“FeCrAl”意指具有高于11重量％的铬含量、大于4重量％的铝含量及余量Fe(和不可避免的杂质)的FeCrAl合金。这些不锈钢具有铁素体微结构，且在包含所述合金的物体的表面上也将形成铝氧化物的保护层。这些合金也可包含大量钼。
在本发明中，术语“FeNiCr”意指具有高于11重量％的铬含量、20-60重量％之间的镍含量及余量Fe(和不可避免的杂质)的FeNiCr合金。这些包含铁基和镍基合金的FeNiCr不锈钢合金总是具有奥氏体微结构，且在包含所述合金的物体的表面上将形成铬氧化物保护层。
在本公开内容中，术语“wt％”、“重量％”或“％”可互换使用，且意指重量百分比。
发明内容
本公开内容提供了一种通过使用特定类型的填充金属来连接两种不同合金的方法。因此，本公开内容提供了使用填充金属通过焊接将FeCrAl合金连接至FeNiCr合金的方法，其中该填充金属包含(重量％)：
及余量Fe和不可避免的杂质。
因此，如上文或下文所限定的方法基于如下发现：可使用如上文或下文所限定的填充金属通过焊接来连接两种或更多种具有不同材料化学的合金，所述填充金属包含受控量的N、Al和Ni以及受控量的C、Nb、Ti和/或Zr。
不同合金(即，FeCrAl合金和FeNiCr合金)可以呈管(tube)和/或带(strip)的形式，且可以以例如带或丝(wire)的形式提供该填充金属，该带或丝适合在焊接应用中使用。
特别是，如上文或下文限定的方法适合于将FeCrAl合金连接至FeNiCr合金，且所得到的产品(本文中术语物体(object)和产品(product)将可互换使用)将在高温下具有良好的蠕变强度以及良好的耐腐蚀性。因此，所得到的产品适合于在高温应用中(即在650℃或更高的温度下)使用。然而，该产品也可用于其中要求良好的蠕变强度和良好的耐腐蚀性的其它应用。
本方法将提供一种避免了或至少最小化了初始提及的脆性相的影响的焊接。此外，通过如上文或下文所限定的方法获得的产品没有脆性析出物的连续膜，这意味着如果将所述产品用于在高温下运行的设备中，将提高所述产品制造的零件的使用寿命，因此减少维修停机的次数。
此外，如上文和下文所限定的方法将提供一种具有足够的长时间(over time)机械强度(诸如抗拉强度、极限拉伸伸长率和延展性)的产品，当将所述产品用于高温(即大于650℃的温度)应用中时，这是特别有用的。因此，本公开内容涉及一种包含至少一种FeCrAl合金和至少FeNiCr的物体，其中使用具有如上文或下文所限定的组成的填充金属将所述至少一种FeCrAl合金和至少FeNiCr连接在一起。此外，本公开内容还提供了由所述物体制造的零件，该零件用于在高温下运行的设备或设备的零件中。
现将描述根据本公开内容的填充金属的合金化元素。
碳(C)：0.01至0.10重量％
C具有提高蠕变强度的积极效果，因为其将与Ti、Zr和Nb形成碳化物。然而，过高浓度的碳可能降低腐蚀和氧化性质。因此，碳含量是从0.01-0.10重量％，诸如从0.01-0.08重量％。
硅(Si)：小于或等于1.5重量％
Si降低了氧含量，且对焊池的流动性有积极效果。硅还具有抗渗碳的积极效果。然而，过高的Si含量将提高金属间相的析出的倾向。因此，Si含量小于或等于1.5重量％，诸如从0.01至1.5重量％。
锰(Mn)：小于或等于2.0重量％
Mn通过固硫对热延展性有积极作用。然而，过高的Mn含量可能导致所获得的焊缝脆化。因此，将Mn含量设置为小于或等于2重量％。
铬(Cr)：14.0-27.0重量％
Cr改进了焊缝的腐蚀和氧化性质。然而，过高的Cr含量将稳定会导致脆性材料的σ相。因此，应将Cr含量限制在27.0重量％以内。过低的Cr含量将降低耐腐蚀性。因此，在填充金属中，Cr含量是从14.0至27.0重量％，诸如从18.0-23.0重量％。
镍(Ni)：小于或等于2.0重量％
在填充金属中将Ni含量保持为尽可能低，因为Ni可以增大脆性相(诸如镍铝化合物(nickel aluminide))的形成。该脆性相将减弱焊缝的强度，因为将形成镍铝化合物的连续膜。然而，少量的镍铝化合物将对焊缝的蠕变强度具有积极效果。因此，Ni含量为小于或等于2.0重量％，诸如小于或等于1.0重量％，诸如小于或等于0.5重量％，诸如小于或等于0.25重量％，诸如小于或等于0.1重量％，诸如0重量％。
钼(Mo)：小于或等于1.5重量％
Mo改进了蠕变性质，且还稳定了脆性σ相。然而，过高的Mo含量将增大金属间相的形成。因此，将Mo含量设置为小于或等于1.5重量％，诸如小于或等于0.3重量％。
钒(V)：小于或等于0.35重量％
钒形成了改进蠕变性质的碳化物且降低了形成碳化铬的风险。然而，过高的V含量可能导致将形成粗碳化物析出物，该碳化物析出物将降低焊缝的机械强度。因此，在填充金属中，将V含量设置为小于或等于0.35重量％，诸如小于或等于0.25重量％。
铝(Al)：小于或等于0.7重量％
将铝保持为低含量，以便减少焊缝中镍铝化合物和氮化铝的形成，因为高浓度的这些析出物可导致焊缝的脆性损坏。然而，低浓度的镍铝化合物或铝氮化物可能对蠕变强度具有积极作用。因此，在填充金属中，将Al含量设置为小于或等于0.7重量％，诸如小于0.5重量％，诸如小于0.25重量％。
钛和/或锆(Ti和/或Zr)：0.4至1.0重量％
可以等效使用Ti和Zr，且其将形成改进蠕变性质的碳化物并减小形成碳化铬的风险。然而，过高含量的Ti和/或Zr将导致将降低焊缝机械性能的粗析出物的形成。因此，Ti和/或Zr的含量是从0.4至1.0重量％，诸如从0.5至1.0重量％。
铌(Nb)：0.3至1.5重量％
铌形成了改进蠕变性质的碳化物且降低了形成碳化铬的风险。然而，过高含量的Nb将导致将降低焊缝机械性能的粗析出物的形成。因此，Nb的含量是从0.3至1.5重量％，诸如从0.3至1.0重量％。
氮(N)：小于或等于0.02重量％
在填充金属中，应将氮保持为尽可能低，因为其产生诸如氮化铝的脆性相。因此，氮含量为小于或等于0.02重量％，诸如小于或等于0.015重量％。
余量铁(Fe)和不可避免的杂质。
在填充金属中Ni、Al和N的最小化将导致最小化或者甚至消除所获得的焊缝中的氮化铝(AlN)和镍铝化合物(NixAlx)的存在。此外，将不存在形成在焊缝中的析出物的连续膜。金属间相的形成的最小化将对焊接节点的机械性能具有积极影响。不受限于任何理论，假设焊缝中缺乏或者低量存在AlN和NixAl二者取决于填充金属的组成，在该填充金属中，Ni、Al和N的含量最小化。
通过以下非限制性实施例进一步示例本公开内容。
实施例
使用填充金属，将FeCrAl合金连接至FeNiCr合金。使用TIG(钨惰性气体)作为焊接方法。
在这个实施例中所使用的FeCrAl合金是APMT，所使用的FeNiCr合金是从山特维克材料科技公司(Sandvik Materials Technology AB)获得的合金800HT(Alloy800HT)(本文以下称作山特维克钢等级SanicroTM31HT)，且所使用的填充金属是19.LNbTi焊丝。FeCrAl合金和FeNiCr合金呈管的形式。表1中列出了不同材料的组成(该组成已经从相应合金的产品说明书中获得)：
表1.所使用的合金(APMT和SanicroTM31HT)和填充材料(19.LNbTi)的化学组成
组成的余量为Fe和不可避免的杂质。
根据表2中所示的焊接参数，使用TIG方法连接合金。
表2.使用19.LNbTi作为填充金属通过TIG焊接方法连接APMT和SanicroTM31 HT所用的焊接参数。
保护气体组成 Ar(99.9％)
流速(1/分钟) 8-10
背衬气体组成 Ar(99.9％)
流速(1/分钟) 8-12
预加热温度(℃) 250-300
层间温度(℃) 250-300
焊后热处理(℃)/保持时间(分钟) 850±20/30
冷却至环境温度的冷却速率(℃/小时) ≥100
热输入(kJ/mm) ＜1.0
将管预热至250-300℃之间的温度，且利用氩气(99.99％)作为保护气体和背衬气体(backing gas)在250-300℃之间的温度下进行TIG焊接。在焊接之后，对所得到的焊缝在850℃±20℃的温度下进行焊后热处理30分钟，然后以至少100℃/小时的速度缓慢冷却至环境温度。
在表征微结构和机械评估之前，将焊接样品在750℃下老化5000小时。
在参见图1A和B，在老化后的微结构表征显示了APMT和SanicroTM31HT沿着其至金属填充物的熔合线都没有析出物的连续膜。然而，沿着至APMT的熔合线，可以发现少量镍铝化合物的析出粒子(图1A暗点)和σ相。在至SanicroTM 31HT的熔合线中，可以发现少量氮化铝以及包含Ti和Nb的析出物(图1B暗点)。少量析出物是可接受的。然而，如果形成了析出物的连续膜，则将影响接缝(joint)的整体性，特别是在热循环期间更是如此。
机械性能
图2A和2B显示了利用19.LNbTi填充金属来焊接的APMT和SanicroTM31HT的焊接后原样的样品和老化(750℃，5000小时)样品的抗拉强度的差别。图2A显示了室温下的差别，且图2B显示了750℃下的差别。
从图中可以看出，老化影响了焊缝的抗拉强度；然而，可以看出，对于(长时间)高温应用而言，焊缝的机械强度仍是足够的。此外，因为焊接后原样的样品和老化样品二者都在750℃下具有20-25％的伸长，这意味着二种焊缝都具有良好的延展性。
图3显示了对于利用19.LNbTi焊接的APMT和SanicroTM31HT而言，816℃(1500F)下，所施加的应力对于蠕变断裂时间的影响。该蠕变断裂位于焊缝中，且不沿着任一条熔合线。这意味着沿着熔合线不存在析出物，且所得到的产品具有良好的延展性。这还显示了蠕变断裂受控于填充金属的强度，且不受沿着熔合线任何脆性析出物的形成所影响。此外，焊缝的良好的延展性显示了选择具有低含量的铝、镍和氮的填充金属用于连接FeCrAl合金和FeNiCr合金的优点。
图4显示了在焊接后原样的样品和老化样品的焊缝上Hv0.2测试的硬度曲线中的差别。沿着管壁的中心线进行测量。将APMT定位在图表的左边区域，且将SanicroTM31HT定位在图表熔合线的右边区域。填充金属定位在图表中的熔合线之间。不存在主要硬度峰。在焊接后原样的条件下焊缝两侧的小的硬度增加由于老化而平滑下降。这表明在任一熔合线中都没有形成析出物的连续膜，因为在析出物的存在下，在熔合线处预期硬度会增加。
结论
因此，结果表明，填充金属组成的选择是至关重要的，并且所获得的焊缝具有非常好的机械性能，即非常好的抗拉强度、非常好的延展性和在高温下非常好的蠕变断裂时间。

Claims (12)

1.一种使用填充金属通过焊接将FeCrAl合金连接至FeNiCr合金的方法，其中所述填充金属以重量％(wt％)计包含：
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述填充金属包含的N的含量小于或等于0.015wt％。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述填充金属包含的Al的含量小于或等于0.5wt％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述填充金属包含的Ni的含量小于或等于0.25wt％。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述填充金属包含的Cr的含量是18.0wt％至23.0wt％。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述填充金属包含的C的含量是0.01wt％-0.08wt％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述填充金属包含的Ti和/或Zr的含量是0.5wt％至1.0wt％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述填充金属包含的Nb含量是0.3wt％至1.0wt％。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述FeCrAl合金和所述FeNiCr合金呈管和/或带的形式。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述填充金属呈丝或带的形式。
11.一种包含至少一种FeCrAl合金和至少FeNiCr合金的物体，其中利用具有根据权利要求1至8中任一项所述的组成的填充金属将所述FeCrAl合金和所述FeNiCr合金连接在一起。
12.根据权利要求11所述的产品在其中温度高于或等于650℃的应用中的用途。
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