[发明专利]改进的或有关高温下耐蚀的叠层金属结构

说明书

本发明涉及高温下耐蚀的叠层金属结构。

发电厂所用的汽轮机的部件通常由于多种机械的原因包括磨蚀、冲蚀、侵蚀、腐蚀和金属与金属摩擦而遭到严重的磨蚀。在位于高压汽轮机上部和下部汽轮的汽流导向处的关键部件和衬套尤其敏感到这种现象。这些部件典型地用不锈钢亦即含铬12%的材料制造。由于这种金属在其回火条件下是不硬的（15-20洛氏“C”硬度即15-20HRC），通常使用诸如硬表面层或覆盖层（Cladding）的保护层来延长这些部件的使用寿命。

所用的这种保护层之一是钨铬钴硬质合金“6”（STELLITE“6”），它是非常硬的金属，已经是硬化表面使用的一种标准材料。它通常产生一种能抗金属与金属磨损、磨蚀和碰撞的表面。然而，由于局部地在含铬12%的底金属和焊接溶敷物之间的热膨胀系数不同，因而STELLITE经常伴随有裂纹。而且，此种裂纹也可以伸延进入底金属中，因为焊接温度而常常强烈地使它变硬。这可能导致部件过早损坏而需修理或更换。

更换这些磨损、侵蚀或裂纹的部件可能是很大的花费。单是停机每天就可能花费10万美元，因为电的应用是把电力卖到其他地方以满足用户的需要。除了这种花费以外，还有雇用修理人员以及购买和储备备件的费用也是相当大的。

在为了减少停机和必然的花费而做的努力中，现在开发了多种新的合金，以延长汽轮机部件的使用寿命。其中一种合金是来自印第安纳州Kokomo的Cabot公司的三基合金（TRIBALOY）400。三基合金是一种钴基合金，因此，即使高温下它也保持其硬度。请参阅T.B.Jefferson等人所著1983年2月俄亥俄州克利夫（Cleveland，OH，）市出版的“金属及其焊接“一书中的James    F.Lincoln的“电弧焊接原理”，结合该文章借此作为参考文献。三基合金的溶敷物（deposits）和以12%铬为基础的不锈钢底金属的受热影响区域遗憾地在焊接后有裂纹和砂眼，因此，并不完全令人满意。

为了产生冶金上合格的溶敷物，焊接工业已经传统地依靠一种“隔离”层。隔离作为一种手段已经在商业文献上公开，它把一种过渡合金放到底金属上，随后将被焊到不同的化学组成的部件上。1985年2月出版的Birchfield著“焊接设计与加工”第38-48页“局部损坏或金属覆盖尺寸过小的补救”，该文也作为参考文献。Birchfield的文章评论了各种工艺过程和选择金属覆盖层的材料，它揭示了隔离在不同合金之间提供一个冶金的桥樑，并且揭示了隔离材料必须是容易地可焊接在底金属上，并与焊接填充金属是一致的，焊接填充金属将把隔离部分和配接部分结合在一起。该文章还揭示了如下的例子：焊着在碳钢或低合金钢衬底上的高镍焊接金属，后来被焊在高合金钢的低金属上;镍铬铁合金在焊到不锈钢之前，先焊在不锈钢覆盖层的底合金钢上。这个参考文献虽然讲述了对隔离层的一种用法，但是未能提出有关热冲击和汽轮机部件底金属裂缝的问题。而且，这一参考文献要求隔离层在附着到底金属的配接部分之前，先被焊接到单独的隔离部分上。

因此，仍然需要硬化表面金属的表面的一种方法，以提供具有延长使用寿命的汽轮机部件。还需要一种修理的工艺过程，以使在发电设备上不锈钢的潜在焊接应力和裂纹减至最小。

因此，本发明属于用于在高温下耐损的一种叠层金属结构，其特征为，所述的结构包括：（1）由不锈钢组成的底金属;（2）主要包括镍、镍基合金、或它们的混合物的隔离层，所述的隔离层被固接（bond）在所述的底金属上;和（3）层叠在所述的隔离层上面的一种硬表面，所述的隔离层和所述的硬表面层的所述的组合形成了一个坚固地连续的外套，以保护所述的底金属免遭在高温下磨蚀。最好是，隔离层和硬表面层焊接。

本发明还包括一种制造叠层金属结构的方法，正如在前面最后一段所引用的，其特征为，底金属和它坚固地连续的外套加热一段足够的时间，以至少减轻一部分由于应用所述的隔离层和硬表面层所引起的应力。

这种热处理工艺过程特别适于减轻溶敷物的焊接应力，和在底金属的受热影响区域内马氏体的回火。硬表面层和隔离层的组合体，特别是采用焊后热处理，将对汽轮机部件提供更长的使用寿命和较少的修理停机。最好是，隔离层含铬超过12%（重量），这样，在焊接期间底金属的铬含量就不会由底金属扩散开。本发明的叠层金属结构实际上避免了与焊接有关的热或冷裂纹。这种硬表面结构是特别适用于发电设备中含铬12%的汽轮机部件。