CN101966631B - 一种适用于520°c以上高温钛合金焊接用低成本钛合金焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种适用于520℃以上高温钛合金焊接用低成本钛合金焊丝，该焊丝包含Al、Sn、Zr、Mo、Si五种合金元素，其特点是增加Si的含量，以取代Al、Sn、Zr的部分高温强化作用，从而降低这些合金元素的加入量，使焊缝区金属具有较高的变形能力，可降低高温钛合金焊缝开裂倾向，同时焊缝区金属还保持了基体材料的强度、高温持久抗力和室温变形能力。本发明在给出焊丝的成分范围之后，还针对航天工业、航空工业和薄板焊接的不同要求提出三种不同的最佳焊丝成分和热处理工艺。本发明的焊丝可采用常规工艺生产，成材率高，因此成本较低。随着高温钛合金在航空航天领域的普及应用，该焊丝的应用前景广阔，有望取得可观的社会和经济效益。
Description
技术领域：
本发明属于钛基合金的技术领域，具体涉及到一种适用于520℃以上高温钛合金焊接的钛合金焊丝。
背景技术
为满足减重及提高飞行器推重比的设计要求，需要尽可能提高具有高比强度的钛合金材料的使用量。近年来国内外飞行器上钛合金的使用量呈大幅增加的趋势，钛合金使用量以及使用水平已经成为衡量国内外航空航天技术及飞行器性能先进程度的一项重要指标。
采用焊接结构也是提高推重比的一个重要手段。采用焊接结构代替传统的铆接结构，不仅可以减少零件数量，还可以实现进一步减重，提高结构完整性并降低成本。而且对于某些结构件，焊接是必不可少的，如筒体结构等，因此焊接问题也成为钛合金尤其是新型钛合金走向工程化应用必须解决的问题。
高温钛合金是适应航空发动机减重需要产生的一类钛合金，随着设计使用温度的提高，这类钛合金合金化程度也越来越高，β稳定元素的加入量以及合金中β相的体积分数明显降低。使得这类材料的塑韧性明显降低，焊接过程中产生的热应力导致的材料局部变形往往会超过材料实际变形能力，导致该类合金焊缝容易出现开裂，影响了材料的工程化应用。
为解决这一问题，需要尽可能提高焊接接头焊缝区的变形能力，即焊缝区材料塑性。而熔焊焊缝区显微组织为塑性很差的铸态组织，因此如果采用与合金相同成分的焊丝，会导致焊接接头塑性明显低于基体材料，焊缝区发生开裂的风险会更大，因此必须开发一种与之匹配的焊丝材料，来改善焊缝区塑性。
在熔焊条件下，焊缝区显微组织类型是一定的，即铸态组织。为提高焊缝区塑性，只能通过采用比基体合金化程度低的焊丝从而降低焊缝熔合区合金化程度的方法来解决。
Ti-55高温钛合金是我们国家自主研发的一类可在550℃下长时使用的高温钛合金，由中科院金属研究所和宝钛集团联合研制。该合金在航空发动机以及航天领域有广阔的应用前景。但该合金与TC4、BT20相比，其焊缝开裂倾向较大，焊接问题成为该合金扩大应用的瓶颈问题。为此需要开发一种适合于Ti-55合金的焊丝材料。
开发Ti-55合金焊丝的主要难题是如何兼顾焊接接头塑性和抗高温变形能力之间的矛盾问题。高温钛合金最显著的特点是在高温下有较高的抗变形能力，为此高温钛合金必须采用提高合金化程度、减少β稳定元素的加入量的办法，由此带来的问题则是材料塑、韧性降低；而为了提高接头铸态组织的抗变形能力，需要降低焊缝区的合金化程度，同时保证其抗高温变形能力不低于基体材料，以免在服役过程中接头处发生失效，这是开发Ti-55焊丝遇到的最大挑战。
发明内容
本发明的目的是研究一种适合于550℃高温钛合金的钛合金焊丝，采用这种钛合金焊丝，可以改善接头塑性，降低其开裂倾向，同时保持不低于基体材料的高温抗变形能力——用一定条件下的接头持久性能来描述。
本发明研究者经过多年的研究积累发现，当Al含量低于某一临界值时，增加少量Si元素对材料塑性几乎没有影响，但却可明显提高材料的抗高温变形能力；Al元素在明显提高材料高温抗变形能力的同时，对材料塑、韧性的降低作用也很明显。在上述研究基础上，我们提出通过增加Si的办法，来减少另一种主要合金化元素Al的加入量，来达到焊缝区抗变形能力不降低的同时改善其塑性的目的。
本发明提出一种适用于520℃以上高温钛合金焊接用低成本钛合金焊丝，其特征在于：所说焊丝的成分及重量百分比为Al：2.5％～5.0％；Sn：2.0％～3.5％；Zr：2.0％～3.2％；Mo：0.0％～1.0％；Si：0.0％～0.4％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
与Ti-55合金相比，本发明的焊丝合金成分中，不含Nb和Ta，也明显地降低了Al、Sn、Zr和Mo的含量。同时为了适应航空和航天两方面不同的要求，即航空材料要求必须满足高温长期使用，材料要有好的持久性能；而航天材料是在高温下短时使用的，没有持久性能方面的要求。所以本发明分别提出两种不同成分的焊丝。
本发明所提出一种特别适合于航天工业要求的焊丝，其主要组成包括：Al：3.0％～5.0％；Sn：2.0％～3.0％；Zr：2.0％～3.0％；Si：0.0％～0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
本发明所提出一种特别适合于航空工业要求的焊丝，其主要组成包括：Al：3.0％～5.0％；Sn：2.0％～3.5％；Zr：2.0％～3.0％；Mo：0.25％～0.4％；Si：0.2％～0.4％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
本发明还提出了一种特别适合于4mm以下薄板的的焊丝，其主要组成包括：Al：3.0％～3.4％；Sn：2.0％～3.0％；Zr：2.0％～3.0％；Mo：0.6％～0.8％；Si：0.2％～0.3％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
上述高温钛合金焊丝的真空退火处理工艺为：630～750℃/2h～5h/随炉冷却。
本发明的创新点是充分利用了合金化Si元素的特点，采用了“加Si降Al”的合金化方案，并利用钛合金熔焊显微组织的特点，兼顾了焊缝区塑性和高温抗热变形能力(持久性能)，是现有钛合金焊丝中第一个高硅含量钛合金焊丝，有望在航空发动机和火箭蒙皮等高温部位得到应用。
具体实施方式
本发明将通过以下几个优选实施例来作进一步详述，但本发明并不局限于下述几个实施例。
表1
本发明成分范围内钛合金的冶炼工艺如下：原材料采用0级海绵钛，合金元素Si以Al-Si中间合金、Al和Zr以纯金属、Sn以TiSn中间合金、Mo以Al-Mo中间合金的形式加入。中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入真空自耗电极电弧炉中熔炼2次，制成合金铸锭。铸锭在切除帽口、剔除表面缺陷后，进入热加工工序。经铸锭开坯→水压机或锻锤拔长→精煅→棒材轧制→表面修磨→拉丝→表面酸碱洗→表面抛光→真空除氢处理工艺→成品丝材。
除氢热处理工艺：630～750℃/2h～5h/随炉冷却，升温、保温和降温过程中真空度要不低于5×10-2Pa。
本发明焊丝规格可根据焊接需要在Φ1.0～7.0mm之间，表2是表1成分Φ1.6焊丝的室温拉伸强度，在表3焊接工艺条件下，可得到表4和5给出的力学性能，焊缝熔合区在试样标距段中部。由表4可见，采用实施例1～5成分的焊丝，Ti-55板材接头室温和550℃拉伸性能与母材相当；而采用纯钛焊丝，即对比例1成分焊丝，试样断在焊缝熔合区，强度较基体有明显降低，强度保持率约为88％；由表5可见，采用实施例1～4成分的焊丝，接头样品持久性能于基体相当，样品断裂位置在基体；采用实施例5和对比例1成分焊丝，接头持久性能分别约为基体持久时间的1/2和1/3，样品断裂位置在接头熔合区。
室温弯曲性能是衡量焊缝区金属变形能力的重要指标。由表5可见，采用实施例2～4成分的焊丝，接头熔合区弯曲角与基体相当；而实施例1成分的焊丝由于合金化程度尤其是Al含量高，其焊缝区弯曲角最低；实施例5和对比例1成分的焊丝由于合金化程度低，弯曲角较大。从以上性能结果可以看到，从接头拉伸、持久以及弯曲角综合考虑，实施例2～4成分焊丝效果最佳；对于短时使用焊接结构，对持久性能要求不高但要求焊缝区有较高的变形能力，宜优选实施例5成分焊丝；实施例1成分焊丝其焊缝区强度过高，塑性不足，因此对薄板焊接是不适宜的，但焊接4mm以上厚板时，可以考虑采用这种合金化高的焊丝；对比例1成分的纯钛焊丝由于接头强度(包括持久)不足，在高温下服役风险较高，使用时需谨慎。
表2焊丝强度
| 实施例 | 焊丝规格，mm | 焊丝强度，σb，MPa |
| 实施例1 | Φ1.6 | 1330 |
| 实施例2 | Φ1.6 | 790 |
| 实施例3 | Φ1.6 | 840 |
| 实施例4 | Φ1.6 | 820 |
| 实施例5 | Φ1.6 | 670 |
| 对比例1 | Φ1.6 | 460 |
表3焊接条件
| 项目 | 焊接条件 |
| 焊接试板 | Ti-5.0Al-3.5Sn-3.0Zr-1.0Mo-0.3Si-0.4Nb-0.4Ta(Ti-55B) |
| 试板规格 | δ2.0mm热轧板 |
| 焊接方法 | 自动氩弧焊 |
| 焊接电流 | 110A～120A |
| 焊接电压 | 11.0V～12.0V |
| 焊接速度 | 12m/h |
| 送丝速度 | 30m/h |
| 焊后退火制度 | 670℃/3h，随炉冷却 |
表4接头拉伸性能
表5接头持久及室温弯曲性能
从以上实施例可以看出，采用本发明的钛合金焊丝，板材氩弧焊接头拉伸、持久性能以及焊缝区弯曲角都达到了不低于Ti-55合金板材基体材料的水平。本发明焊丝由于合金化程度低，可采用常规的工艺生产，工艺简单，成材率高，因此成本较低。该焊丝不仅可以用于Ti-55高温钛合金氩弧焊焊接，还可用于其它添丝焊接工艺如电子束添丝焊；不仅可以用于Ti-55薄板焊接，还可用于10mm左右中等厚度Ti-55结构件的焊接；因为大多数高温钛合金都包含Al、Sn、Zr、Mo、Si等元素，因此也可用于其它设计使用温度在550℃左右的高温钛合金的焊接，也可用于焊接件的缺陷修补。随着高温钛合金在航空航天领域的推广应用，该焊丝应用前景比较广阔，有望取得可观的社会和经济效益。
Claims (8)
1. 一种适用于520℃以上高温钛合金焊接用低成本钛合金焊丝，其特征在于：所说焊丝的成分及重量百分比为Al:2.5%～5.0%;Sn:2.0%～3.5%;Zr:2.0%～3.2%;Mo:0.0%～1.0%;Si:0.0%～0.35%,余量为Ti和不可避免的杂质元素。
2.按权利要求1所述的适用于520℃以上高温钛合金焊接用低成本钛合金焊丝，其特征在于该焊丝适合航天工业要求，主要成分为：Al:3.0%～5.0%;Sn:2.0%～3.0%;Zr:2.0%～3.0%;Si:0.2%～0.3%,余量为Ti和不可避免的杂质元素。
3.按权利要求1所述的适用于520℃以上高温钛合金焊接用低成本钛合金焊丝，其特征在于该焊丝适合航空工业要求，主要成分为：Al:3.0%～3.4%;Sn:2.0%～3.5%;Zr:2.0%～3.0%;Mo:0.25%~0.4%;Si:0.2%～0.35%,余量为Ti和不可避免的杂质元素。
4. 按权利要求1所述的适用于520℃以上高温钛合金焊接用低成本钛合金焊丝，其特征在于该焊丝适合于4mm以下薄板，主要成分为：Al:3.0%～3.4%;Sn:2.0%～3.0%;Zr:2.0%～3.0%;Mo:0.6%～0.8%;Si:0.2%～0.3%,余量为Ti和不可避免的杂质元素。
5. 一种适合于权利要求1所述的适用于520℃以上高温钛合金焊接用低成本钛合金焊丝的真空退火处理工艺，其特征在于在630℃～750℃下保温2～5小时后，随炉冷却。
6.一种适合于权利要求2所述的适用于520℃以上高温钛合金焊接用低成本钛合金焊丝的真空退火处理工艺，其特征在于在630℃～750℃下保温2～5小时后，随炉冷却。
7. 一种适合于权利要求3所述的适用于520℃以上高温钛合金焊接用低成本钛合金焊丝的真空退火处理工艺，其特征在于在630℃～750℃下保温2～5小时后，随炉冷却。
8. 一种适合于权利要求4所述的适用于520℃以上高温钛合金焊接用低成本钛合金焊丝的真空退火处理工艺，其特征在于在630℃～750℃下保温2～5小时后，随炉冷却。
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