[发明专利]一种烧结型高通量换热管用的合金粉末的制备及使用方法

说明书

一种烧结型高通量换热管用的合金粉末的制备及使用方法，属于金属材料领域。高通量换热管主要特征是在金属基管(包括铜镍管、碳钢管及耐热钢管等)的外表面或内表面制造金属多孔层，增加汽化核心数，可以显著强化沸腾传热。目前金属多孔层主要通过在基管表面涂覆金属粉末然后进行烧结的方法形成，所采用的金属粉末主要为平均粒径70μm以上的Cu基或含Ni的Cu基或Fe基合金粉末，由于选用的粉末粒度大，造成气雾化制备粉末收得率低，成本较高。本发明主要成分为Fe‑(26～30)wt％Al‑(0～2Cr)wt％‑(2～4)wt％B，该合金粉末具有烧结温度低、抗氧化、抗结焦等特性，同时采用等离子旋转雾化制粉技术进行粉末制备，粒径在70μm‑140μm的粉末收得率达到80％。综合本发明的合金成分和粉末收得率，与市场现有的合金粉末相比具有明显的成本优势。

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种烧结型高通量换热管用的合金粉末的制备及使用方法。

背景技术

高通量管换热器是用于强化沸腾传热的高效换热器。其主要特征是在金属光管的外表面或内表面制造金属多孔层，能实现低温差下的高效传热。高通量换热器中核心部件为高通量换热管，烧结型高通量管是指采用粉末冶金的方法在普通换热管表面烧结一薄层具有特定结构的多孔表面高效换热管。表面多孔层的凹穴与孔隙相互连通，可以显著强化沸腾传热，传热效果可提高20倍以上。适用于具有相变的沸腾传热场合，广泛应用于炼油、石化、化工等工程领域。

高通量换热管基管的材质主要有铜镍合金管、碳钢管、耐热钢管等，通常在其表面烧结的粉末主要成分为FeNi合金或CuNi合金，其粒径通常在200目以上，此外要求这些粉末在烧结过程中形成特定孔隙结构的同时不能损伤基管的性能，即烧结完成后基管力学性能仍能达到国标，这就要求粉末的烧结温度尽可能低。目前用于表面烧结的合金粉末的制备主要采用普通气雾化的方法，该方法能够获得球形度好的粉末，但是粒度大于200目(70μm)的粉末占比较低，造成粉末制造成本的增加。因此如何降低粉末的制造成本，进一步提高换热器的整体产品附加值成为换热器制造企业必须考虑的问题。

发明内容

本发明通过选用较为廉价的Fe、Al元素，替代较为昂贵的Cu和Ni元素，来降低粉末的原材料成本，并通过采用等离子旋转雾化制粉技术替代普通的气雾化制粉可以将粉末的收得率由不足30％提高到80％以上，通过降低原材料成本和提高粉末收得率两种方式可以大幅度降低粉末的制造成本。此外，通过Fe和Al比例的优化，可以获得优异的抗氧化和抗结焦性能，另外在优化的成分比例基础上，在合金粉末中添加少量Cr、B元素可以进一步改善粉末的烧结性能，最终设计粉末的成分为Fe-(26～30)wt％Al-(0～2)wt％Cr-(2～4)wt％B，该粉末的烧结温度为950℃以下。由于低的烧结温度，因此烧结过程不会对基管性能造成损伤，特别适合用作碳钢管、耐热钢管的表面烧结粉末材料。

一种烧结型高通量换热管用的合金粉末的制备方法，其特征在于：粉末成分Fe-(26～30)wt％Al-(0～2Cr)wt％-(2～4)wt％B，采用旋转等离子雾化制粉技术制备，粉末粒度在70-140μm。

进一步的，采用旋转等离子雾化制粉技术制备粉末时，其工艺步骤为：先按设计成分进行配料，然后采用真空冶炼技术将配料熔化并浇铸成直径大于62mm、长度大于800mm的合金锭，再将合金锭加工成单根直径60mm，长度700mm的电极棒，制粉时等离子弧电流强度1100～1300A、电压65-75V、等离子枪与电极棒距离15-20cm，转速350-450转/分，真空度小于5×10^-3Pa。

按照上述方法制备的合金粉末的使用方法，其特征在于：将成分为Fe-(26～30)wt％Al-(0～2Cr)wt％-(2～4)wt％B粉末涂覆到碳钢或耐热不锈钢基管后采用氢气氛进行烧结，烧结温度为900℃到1000℃，保温时间30到60分钟。最终可以获得孔隙性能和与基管的结合程度均能满足要求的多孔烧结层，同时对基管性能无损伤。