CN102676904B

CN102676904B - 应用于高熵效应焊接TA2/0Cr18Ni9Ti的材料及方法

Info

Publication number: CN102676904B
Application number: CN 201210143238
Authority: CN
Inventors: 翟秋亚; 田�健; 徐锦锋
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2032-05-10
Also published as: CN102676904A

Abstract

本发明公开了一种高熵中间层合金，由以下组分按原子百分比组成，Ti为5~10%，Fe为5~10%，Al为25~30%，Ni为15~20%，Cu为30~35%，Cr为5~10%，合计为100%。本发明还公开了一种应用高熵效应焊接TA2/0Cr18Ni9Ti的方法，在两块待焊板材之间放置上述的高熵中间层合金，该高熵中间层合金采用箔材折叠结构，通过电阻点焊方式，使得界面电阻热熔化高熵中间层合金及局部母材，实现TA2/0Cr18Ni9Ti的高性能焊接；所述的本发明的方法及其高熵中间层合金具有优良的强度、韧性及耐蚀性能，易于加工成型，便于焊接装配，其制备步骤简单，制作成本低，便于推广。

Description

应用于高熵效应焊接TA2/0Cr18Ni9Ti的材料及方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种应用于高熵效应焊接TA2/0Cr18Ni9Ti的高熵中间层合金，本发明还涉及一种应用高熵效应焊接TA2/0Cr18Ni9Ti的方法。

背景技术

钛及其合金比强度高，耐蚀性能好，是重要的宇航结构材料。但因钛金属价格较高，限制了其进一步的发展应用。钢的价格低廉，具有良好的热电性能及力学性能。在某些情况下，需要兼有钛合金与不锈钢的优良特性的异种材料连接件，如核动力装置中核燃料后处理设备中的某些零件、卫星燃料喷注器及姿态推动控制系统中的部件等，近来又在尝试用作海洋结构件如跨海大桥的桥柱及超大型浮式海洋结构的防腐蚀衬板，衬板几乎都是用钛包覆钢。钛-钢复合结构价格相当于钛材的25~35％。钛-钢复合结构既充分发挥基层和覆层各自材料的优点，也是节约贵金属最好的途径，在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本等方面具有明显的社会效应和经济效应，具有广阔的应用前景。

然而，钛-钢复合结构的应用势必涉及到钛与钢的焊接问题。由于钛和钢之间的线膨胀系数、热导率等物理和化学性能存在较大差异，焊接过程中极易形成裂纹，焊缝形成大量硬脆的金属间化合物（TiFe、TiFe₂、NiTi、TiCr）及钛与碳生成脆性化合物TiC，焊接接头强度较低。钛与钢的焊接难度较大，钛/钢焊接难题多年来一直未能得到有效地解决，制约了钛-钢复合结构在工程领域的推广及广泛应用。

目前，用于钛/钢焊接的主要方法是熔化焊、压力焊(包括扩散焊和爆炸焊)和钎焊，这几种方法均能将钛/钢焊在一起，但上述方法或因焊接工艺很难控制、或因脆性金属间化合物导致接头性能不佳，而使其不能广泛应用于工业生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于高熵效应焊接TA2/0Cr18Ni9Ti的高熵中间层合金，解决了现有焊接方法易形成硬脆的金属间化合物，不易于获得高性能的钛-钢复合结构的问题。

本发明的第二个目的在于提供一种高熵中间层合金的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种应用高熵效应焊接TA2/0Cr18Ni9Ti的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种应用于高熵效应焊接TA2/0Cr18Ni9Ti的高熵中间层合金，由以下组分按原子百分比组成，Ti为5~10%，Fe为5~10%，Al为25~30%，Ni为15~20%，Cu为30~35%，Cr为5~10%，合计为100%。

本发明所采用的第二个技术方案是，一种上述的高熵中间层合金的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1、利用真空电弧炉熔配母合金

1.1）按照以下组分的原子百分比配制，Ti为5~10%，Fe为5~10%，Al为25~30%，Ni为15~20%，Cu为30~35%，Cr为5~10%，合计为100%；将高熵中间层合金组分的原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称量好各种高纯金属，混匀、压实成坯待用；

1.2将步骤1.1制成的坯料在超高真空电弧炉中进行熔配，制得母合金；步骤2、应用单辊快速凝固装置，将辊轮线速度控制在5-7m/s，将步骤1.2得到的母合金制备成高熵中间层合金箔材，即成。

本发明所采用的第三个技术方案是，一种应用高熵效应焊接TA2/0Cr18Ni9Ti的方法，在待焊板材TA2与0Cr18Ni9Ti之间放置高熵中间层合金，该高熵中间层合金采用箔材折叠结构，通过电阻点焊方式，使得界面电阻热熔化高熵中间层合金及局部母材，实现TA2/0Cr18Ni9Ti的焊接。本发明的有益效果是，具有优良的强度、韧性及耐蚀性能，不易形成脆性金属间化合物相，易于获得高性能的钛-钢复合结构，易于加工成型，便于焊接装配；该高熵中间层合金的制备步骤简单，制作成本低；采用中间层高熵效应合金电阻焊方法，焊接过程方便易行，焊接对象适应性广。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明应用于高熵效应焊接TA2/0Cr18Ni9Ti的高熵中间层合金，由以下组分按原子百分比组成：Ti为5~10%，Fe为5~10%，Al为25~30%，Ni为15~20%，Cu为30~35%，Cr为5~10%，合计为100%。该高熵中间层合金本身为高熵合金，其熔点高于母材，与传统电阻钎料原理不同，焊后所形成的焊缝金属亦为高熵合金，只是焊缝中的Ti、Fe含量显著高于高熵中间层合金初始值，该高熵中间层合金形成的焊缝基本上消除脆性金属间化合物，接头性能较高。

本发明的高熵中间层合金成分中，各化学元素的组成及含量限定理由是：为了提高TA2/0Cr18Ni9Ti接头的综合力学性能，高熵中间层合金的主元选择Ti-Fe-Al-Ni-Cu五主元系合金。主要原因有二点：①焊接过程中母材熔化并向中间层熔化形成的液态熔池中的溶解不可避免，为预防焊缝产生脆性金属间化合物起见，中间层须含有Ti、Fe、Cr、Ni等主元；②通过在合金中添加Al元素，形成高熵合金，改善焊缝与钛母材的熔合性。

本发明的高熵中间层合金的制备方法是，按照以下步骤实施：

步骤1、利用真空电弧炉熔配母合金：

1.1）将高熵中间层合金组分的原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称量好以下各种高纯金属，所有各种高纯金属的纯度均高于99.99％，将各个组分混匀、压实成坯待用。

1.2将步骤1.1制成的坯料在真空电弧炉中进行熔配，制得母合金。步骤2、应用单辊快速凝固装置，将辊轮线速度控制在5-7m/s，将步骤1.2得到的母合金制备成高熵中间层合金箔材，所制备得到的高熵中间层合金箔材厚度为100~200μm，宽3~7mm，长0.5~1.0m。

本发明的应用高熵效应焊接TA2/0Cr18Ni9Ti的方法，该方法的工作原理是：在两块待焊板材（分别是TA2板材与0Cr18Ni9Ti板材）之间放置一定厚度的经过严格成分设定的高熵中间层合金，电阻点焊过程中，界面电阻热熔化高熵中间层合金及局部母材，熔化金属相混融，其熔融金属处在高熵合金成分范围，凝固后形成具有单相固溶体结构、而无金属间化合物产生的高熵焊接焊缝（熔核），实现TA2/0Cr18Ni9Ti的高性能焊接。

利用上述制备的高熵中间层合金箔材焊接TA2/0Cr18Ni9Ti的复合板材，装配时先将折叠箔材（将高熵中间层合金箔材叠成复层，具体层数视箔材厚度而定）置于待焊TA2/0Cr18Ni9Ti板材之间，然后按照常规电阻点焊方法对装配好了的接触部位进行焊接。使用本发明的高熵中间层合金箔材进行TA2板材与0Cr18Ni9Ti板材实施电阻点焊，与现有点焊工艺操作条件相似，工艺简单，操作方便。

表1中列举了本发明的高熵中间层合金实施例1~3中各组分的具体含量。

表1本发明的高熵中间层合金实施例1~3中的各组分含量表

组分含量（at％）	Ti	Fe	Cu	Ni	Al	Cr
							实施例1	5	5	35	20	25	10
实施例2	8	8	31	18	28	7
							实施例3	10	10	30	15	30	5

表2中列举了利用本发明实施例1~3钎料实施焊接后获得的焊缝中的最终合金的各主元含量。

表2本发明的实施例1~3中最终获得的焊缝金属的各主元含量表

实施例1

按照上述高熵中间层合金的制备方法，依照表1中列举的高熵中间层合金实施例1的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在5m/s，制备出厚约130μm，宽约5mm，长约0.8m的Ti8Fe8Al28Ni18Cu30Cr8高熵中间层合金箔材。应用该高熵中间层合金箔材折叠，对TA2/0Cr18Ni9Ti进行电阻点焊，获得焊接接头的拉剪强度约293MPa。

实施例2

按照上述高熵中间层合金的制备方法，依照表1中列举的高熵中间层合金实施例2的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在5m/s，制备出厚约130μm，宽约5mm，长约0.8m的Ti8Fe8Al28Ni18Cu30Cr8高熵中间层合金箔材。应用该高熵中间层合金箔材折叠，对TA2/0Cr18Ni9Ti进行电阻点焊，获得焊接接头的拉剪强度约293MPa。

实施例3

按照上述高熵中间层合金的制备方法，依照表1中列举的高熵中间层合金实施例3的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在5m/s，制备出厚约110μm，宽约5mm，长约0.8m的Ti10Fe10Al30Ni15Cu30Cr5高熵中间层合金箔材。应用该高熵中间层合金箔材折叠，对TA2/0Cr18Ni9Ti进行电阻点焊，获得焊接接头的拉剪强度约303MPa。

Claims

1.一种应用于高熵效应焊接TA2/0Cr18Ni9Ti的高熵中间层合金，其特征在于：由以下组分按原子百分比组成，Ti为5～10%，Fe为5～10%，Al为25～30%，Ni为15～20%，Cu为30～35%，Cr为5～10%，合计为100%。

2.一种权利要求1所述的高熵中间层合金的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、利用真空电弧炉熔配母合金

1.1）按照以下组分的原子百分比配制，Ti为5～10%，Fe为5～10%，Al为25～30%，Ni为15～20%，Cu为30～35%，Cr为5～10%，合计为100%；将高熵中间层合金组分的原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称量好各种高纯金属，混匀、压实成坯待用；

1.2将步骤1.1制成的坯料在超高真空电弧炉中进行熔配，制得母合金；

步骤2、应用单辊快速凝固装置，将辊轮线速度控制在5-7m/s，将步骤1.2得到的母合金制备成高熵中间层合金箔材，即成。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的各种高纯金属的纯度均高于99.99％。

4.利用权利要求1所述高熵中间层合金应用高熵效应焊接TA2/0Cr18Ni9Ti的方法，其特征在于：在待焊板材TA2与0Cr18Ni9Ti之间放置高熵中间层合金，该高熵中间层合金采用箔材折叠结构，通过电阻点焊方式，使得界面电阻热熔化高熵中间层合金及局部母材，实现TA2/0Cr18Ni9Ti的焊接。