本發(fā)明屬于焊接材料領(lǐng)域，具體涉及一種lng超低溫閥門增材制造用節(jié)鎳環(huán)保奧氏體不銹鋼藥芯焊絲及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、液化天然氣、液氮和液氧等儲(chǔ)存設(shè)備及輸送管道用鋼要求具有較高的超低溫韌性，以保證構(gòu)件的安全性和可靠性。作為傳統(tǒng)的超低溫用鋼，aisi?304等奧氏體不銹鋼已得到廣泛應(yīng)用。雖然奧氏體不銹鋼具有較高的抗蝕性和超低溫韌性，但強(qiáng)度較低，尤其低的屈服強(qiáng)度是其致命弱點(diǎn)。高氮奧氏體不銹鋼屈服強(qiáng)度也僅約400mpa，5ni和9ni鋼通過晶粒細(xì)化和形成穩(wěn)定的殘余/逆轉(zhuǎn)變奧氏體使其具有較高的超低溫韌性，可以滿足部分超低溫構(gòu)件的安全性和可靠性要求，但這類鋼抗蝕性較弱，對(duì)于惡劣的使用環(huán)境，尤其是含有co、hs等的液化天然氣等環(huán)境無法使用。

2、07cr16ni6和08cr14nitmo等半奧氏體不銹鋼強(qiáng)度明顯優(yōu)于奧氏體不銹鋼，只要控制適當(dāng)?shù)膴W氏體可以保證足夠的超低溫韌性，但控制奧氏體量的cr、ni等合金元素窗口非常窄，工業(yè)化生產(chǎn)難度較大。此外，半奧氏體不銹鋼存在敏化的問題，無法保證焊縫及熱影響區(qū)的性能，07cr16ni6鋼規(guī)格增大后淬火過程中形成網(wǎng)狀碳化物，不僅嚴(yán)重?fù)p害韌性，降低晶間腐蝕抗力。俄羅斯學(xué)者在0ocr11ni10mo2ti馬氏體時(shí)效不銹鋼基礎(chǔ)上，降低mo和ti開發(fā)得到0cr12ni10moti高強(qiáng)度馬氏體不銹鋼，最終調(diào)整為0cr12nilomo，根據(jù)超低溫工程需要，目前分別在250℃和500℃回火后使用。超低碳含量使其焊接性和抗蝕性良好，但強(qiáng)度仍然較低，最高強(qiáng)度(500℃時(shí)效)僅約1000mpa，仍然無法滿足超低溫裝備用鋼越來越高的強(qiáng)度要求。

3、由于c-mn鋼、低合金鋼在低溫下會(huì)脆化，當(dāng)溫度達(dá)到-100℃以下時(shí)脆化非常明顯，而奧氏體不銹鋼具有良好的低溫抗沖擊性能，即使在-196℃下仍具有較好的沖擊功，因此，奧氏體不銹鋼在低溫環(huán)境中被作為一種較理想的材料得到較廣泛的應(yīng)用。但是，奧氏體不銹鋼焊縫的組織和狀態(tài)與母材存在一定的差異，要使其在-196℃時(shí)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的沖擊功還是存在一定的難度。按照gb150-2011規(guī)定，在-196℃進(jìn)行焊縫金屬的低溫沖擊功不得小于31j，在該溫度下，采用普通的不銹鋼焊材和焊接工藝很難保證其沖擊功，因此必須對(duì)焊材的化學(xué)成分做特殊要求，并采用特定的焊接工藝才可保證其低溫抗沖擊性能。

4、低鎳含氮奧氏體不銹鋼主要是利用氮元素部分甚至完全代替合金元素鎳以獲得單相奧氏體組織。利用氮進(jìn)行合金化具有很多優(yōu)點(diǎn)，如與碳相比，氮是更加有效的固溶強(qiáng)化元素，可以促進(jìn)晶粒細(xì)化。氮還是強(qiáng)烈的奧氏體形成化元素，可以節(jié)省鎳含量，并減少鐵素體和形變馬氏體形成機(jī)會(huì)，極大地提高材料抗點(diǎn)蝕能力。此外，不銹鋼焊接過程中不可避免地產(chǎn)生有害氣體和煙塵，它直接影響環(huán)境的保護(hù)和焊工的身體健康，目前尚未研發(fā)出應(yīng)用于lng超低溫閥門增材制造且節(jié)鎳環(huán)保的藥芯焊絲。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明的主要目的是提供一種lng超低溫閥門增材制造用節(jié)鎳環(huán)保奧氏體不銹鋼藥芯焊絲，對(duì)焊絲化學(xué)成分進(jìn)行合理設(shè)計(jì)調(diào)控并引入耐低溫耐腐蝕性稀土元素，具有良好的焊接工藝性能和力學(xué)性能，應(yīng)用于lng超低溫閥門增材制造能顯著提高沉積層精度和lng閥門的密封性及低溫韌性。

2、本發(fā)明的另一目的是提供上述lng超低溫閥門增材制造用節(jié)鎳環(huán)保奧氏體不銹鋼藥芯焊絲的制備方法，工藝簡(jiǎn)單。

3、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

4、本發(fā)明提供一種lng超低溫閥門增材制造用節(jié)鎳環(huán)保奧氏體不銹鋼藥芯焊絲，包括外皮和藥芯，所述外皮采用低碳不銹鋼帶；所述藥芯由以下質(zhì)量百分含量的組分組成：c≤0.03％，cr：10.35％～11.25％，ni：11.50％～12.50％，n：0.10％～0.20％，mo：0.30％～0.90％，mn：5.00％～8.00％，si：0.30％～0.90％，pr：0.01％～0.02％，zn：0.3％～1.1％，v：0.2％～0.6％，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

5、作為優(yōu)選，所述外皮采用的低碳不銹鋼帶寬度為8～14mm，厚度為0.9～1.8mm。

6、作為優(yōu)選，所述外皮采用的低碳不銹鋼帶成分及其質(zhì)量百分比為：c≤0.08％，cr：18％～20％，ni：8％～10.5％，n：0.1％～0.2％，mo：0.3％～0.9％，mn：1.0％～2.0％，si：0.3％～0.75％，余量為fe和不可避免的雜質(zhì)。

7、作為優(yōu)選，所述藥芯的填充率控制在15％～20％。

8、作為優(yōu)選，所述藥芯的組分粒徑為70～100目。

9、作為優(yōu)選，所述藥芯中，mn以電解錳的形式加入，c以石墨的形式加入。

10、作為優(yōu)選，所述藥芯的組分含量滿足：雜質(zhì)元素s和p的含量均小于0.003％。

11、作為優(yōu)選，所述藥芯的組分含量滿足：cr/ni的比值不大于0.9。

12、作為優(yōu)選，所述藥芯由以下質(zhì)量百分含量的組分組成：c：0.03％，cr：10.50％，ni：12.00％，n：0.15％，mo：0.50％，mn：6.00％，si：0.50％，pr：0.015％，zn：1.00％，v：0.3％，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

13、本發(fā)明的lng超低溫閥門增材制造用節(jié)鎳環(huán)保奧氏體不銹鋼藥芯焊絲通過增材制造后，所得lng超低溫閥門的密封性提高近20％，利用少部分zn代替有毒的cr，相比傳統(tǒng)焊絲在焊接過程中產(chǎn)生的有毒煙塵污染大大減少，利用部分n來代替貴重的ni，大大降低焊絲成本。其熔覆金屬具有優(yōu)異的低溫韌性，且焊接工藝性和力學(xué)性能優(yōu)異。其設(shè)計(jì)思路是：在藥芯中，一定量c元素的加入可提高焊縫強(qiáng)度，si、mn的加入可以使焊縫脫氧，大大提高焊縫強(qiáng)度，ni、n的加入可提高焊縫的韌性，mo的加入提高焊縫的強(qiáng)度和硬度，并且提高其耐磨性，ti的加入對(duì)針狀體的細(xì)化起到極大的促進(jìn)作用，cr和zn提高焊縫金屬的強(qiáng)度和硬度，v的加入促使晶粒細(xì)化，提高密度，提升強(qiáng)度，pr的加入促進(jìn)夾雜物細(xì)化和球化，脫氫脫氧，細(xì)化晶粒，并且提高其低溫韌性。進(jìn)一步地，其中各成分作用如下：

14、c：與堆焊層其他合金元素反應(yīng)形成的碳化物是高硬度硬質(zhì)相，對(duì)焊縫金屬起到固溶強(qiáng)化作用。

15、cr：對(duì)焊縫進(jìn)行固溶強(qiáng)化，促進(jìn)馬氏體的形成，提高強(qiáng)度和硬度。

16、ni：擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，焊態(tài)焊縫中先共析鐵素體比例逐漸減少，而針狀鐵素體逐漸增多，低溫韌性，焊縫硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均提高。

17、n：擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，在鋼中固溶時(shí)具有強(qiáng)化效應(yīng)，提高了抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度與低溫韌性。

18、mo：具有固溶強(qiáng)化的作用，提高焊縫金屬的強(qiáng)度與剛度，使得焊縫金屬中先共析鐵素體比例逐漸減少，而針狀鐵素體逐漸增多，含0.6％的mo可使焊縫得到最佳力學(xué)性能，降低回火脆性。

19、mn：脫氧，提高焊縫的強(qiáng)度和硬度，增加針狀鐵素體數(shù)量，細(xì)化焊縫的針狀鐵素體和粗晶區(qū)。

20、si：可以起到穩(wěn)弧的作用，適量的硅可以排除焊縫中的氧的影響，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。

21、zn：提高焊縫金屬的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)以少量zn代替cr，降低焊接污染。

22、v：提高鋼的密度，促使晶粒細(xì)化，提高它的機(jī)械強(qiáng)度，增加回火穩(wěn)定性，使碳化物在鋼中均勻分布。

23、pr：具有脫氧、脫硫、減少夾雜、凈化焊縫組織和細(xì)化晶粒的作用，促進(jìn)夾雜物細(xì)化和球化，奧氏體晶粒細(xì)化，針狀體將奧氏體晶粒分割，抑制上貝氏體和馬氏體的長(zhǎng)大，提高焊縫的低溫韌性。

24、本發(fā)明還提供所述lng超低溫閥門增材制造用節(jié)鎳環(huán)保奧氏體不銹鋼藥芯焊絲的制備方法，包括以下步驟：

25、步驟1：對(duì)低碳不銹鋼帶進(jìn)行除污去銹，烘干；

26、步驟2：按照配比稱取所述藥芯粉末各組分原料混合均勻，220℃烘干3h，得到藥芯粉末；

27、步驟3：將所述低碳不銹鋼帶放置在焊絲成型機(jī)的放帶機(jī)上，通過成型機(jī)的壓槽將所述低碳不銹鋼帶軋制成u型槽，步驟2得到的藥芯粉末填入u型槽中，填充率控制在15％～20％，待u型槽碾壓閉合后進(jìn)行拉拔至直徑滿足規(guī)格要求，用脫脂機(jī)和烘干機(jī)分別去除焊絲表面上的油污和水分，即得。

28、本發(fā)明還提供所述lng超低溫閥門增材制造用節(jié)鎳環(huán)保奧氏體不銹鋼藥芯焊絲在電弧、高能束或復(fù)合熱源增材制造液化天然氣低溫管道的焊接、制造或修復(fù)中的應(yīng)用。

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

30、一、本發(fā)明的lng超低溫閥門增材制造用節(jié)鎳環(huán)保奧氏體不銹鋼藥芯焊絲具有良好的電弧穩(wěn)定性，焊縫成形美觀，焊縫金屬擁有很好的強(qiáng)度，強(qiáng)度可達(dá)544mpa以上，同時(shí)具有較好的低溫沖擊韌性，-196℃的低溫沖擊韌性大于40j。

31、二、本發(fā)明的lng超低溫閥門增材制造用節(jié)鎳環(huán)保奧氏體不銹鋼藥芯焊絲添加適量的稀土元素pr，有助于夾雜物細(xì)化和球化，奧氏體晶粒細(xì)化，針狀鐵素體優(yōu)先在奧氏體晶界內(nèi)形核長(zhǎng)大，將奧氏體晶粒分割，抑制上貝氏體和馬氏體的長(zhǎng)大，形成復(fù)相分割組織，可以提高焊縫的低溫韌性。

32、三、本發(fā)明的lng超低溫閥門增材制造用節(jié)鎳環(huán)保奧氏體不銹鋼藥芯焊絲通過控制cr/ni不大于0.9，最大限度地提高焊縫的低溫韌性。

33、四、本發(fā)明的lng超低溫閥門增材制造用節(jié)鎳環(huán)保奧氏體不銹鋼藥芯焊絲通過利用少部分zn代替cr，在最大范圍內(nèi)降低了焊接時(shí)產(chǎn)生的煙塵污染，與同類型藥芯焊絲相比可降低15％～20％，同時(shí)用n代替價(jià)格昂貴的ni，降低成本，節(jié)省ni資源，綜合性能優(yōu)異。