CN103567663A - 用于焊接钛-钢的高熵合金焊丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于焊接钛-钢的高熵合金焊丝，由以下组分按原子百分比组成，其中Zr为30%～33%，Ti为8%～12%，Fe为15%～18%，Ni为20%～24%，Be为20%～24%，总的百分比为100%。本发明还公开了上述的用于焊接钛-钢的高熵合金焊丝的制备方法，步骤包括：步骤1、熔配母合金；步骤2、应用金属纺绩技术，制备成非晶态高熵合金焊丝。本发明的高熵合金焊丝，用于TIG焊钛-钢工艺简单，焊丝与钛及钢的匹配性好，焊接区无裂纹，焊缝基本为单相固溶体组织，接头综合机械性能较高。

Description

用于焊接钛-钢的高熵合金焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种用于焊接钛-钢的高熵合金焊丝，本发明还涉及该种用于焊接钛-钢的高熵合金焊丝的制备方法。

背景技术

钛及其合金比强度高，耐蚀性能好，重要化工容器、跨海大桥的桥柱及超大型浮式海洋结构的防腐蚀衬板，几乎都是用钛与钢的焊接结构。钛-钢复合制件价格相当于钛材的25～35％，又同时兼具钛与钢的优良特性，是节约贵金属好的途径。在提高材料利用率、减轻结构重量、提高制件耐腐蚀性、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。

目前，用于钛-钢焊接的主要方法是压力焊（包括扩散焊、摩擦焊和爆炸焊），对钛-钢钎焊也有较多的研究，但实现真正意义上的钛-钢高强度焊接则当属熔化焊。钛-钢的熔化焊接属异种金属之间的焊接，其施工难度远远大于钛/钛、钢/钢同质材料，而且脆性金属间化合物导致接头性能不佳尤其严重。为了保障焊接的顺利进行，除了焊接施工过程中严格控制焊接方向以及顺序之外，还需要选择合适的超合金焊接材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于焊接钛-钢的高熵合金焊丝，解决了现有技术中的焊丝用于焊接钛-钢时，易形成硬脆的金属间化合物导致开裂，不易于获得高性能制件的问题。

本发明的另一目的是提供一种上述的用于焊接钛-钢的高熵合金焊丝的制备方法。

本发明采用的技术方案是，一种用于焊接钛-钢的高熵合金焊丝，由以下组分按原子百分比组成，总的百分比为100%，其中Zr为30%～33%，Ti为8%～12%，Fe为15%～18%，Ni为20%～24%，Be为20%～24%。

本发明采用的另一技术方案是，一种上述的用于焊接钛-钢的高熵合金焊丝的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1、熔配母合金：

按原子百分比组成，总的百分比为100%，其中Zr为30%～33%，Ti为8%～12%，Fe为15%～18%，Ni为20%～24%，Be为20%～24%，

将上述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，将上述组分混匀、压实成坯待用；将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、应用金属纺绩技术，将步骤1得到的母合金重新熔化，经过纺绩轮的急冷快速凝固制备成非晶态高熵合金焊丝，即成。

本发明的有益效果是，该高熵合金焊丝具有优良的强度、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-钢焊接接头；使用该高熵合金焊丝的焊接操作工艺简单，方便高效，适应性好，便于推广。

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。

本发明的用于焊接钛-钢的高熵合金焊丝，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100%，Zr为30%～33%，Ti为8%～12%，Fe为15%～18%，Ni为20%～24%，Be为20%～24%。

在本发明的中间层合金成分中，对各化学元素的组成及含量限定理由分别叙述如下：

为了提高钛金属与钢焊接接头的综合力学性能，需要获得焊缝金属的化学成分处在形成高熵合金的主元含量范围。针对具体待焊母材金属钛与钢的成分特点，焊丝选择Zr-Ti-Fe-Ni-Be五主元高熵合金。主要原因有三点：①焊接过程中母材的熔化以及近缝区母材向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，焊缝目标成分中须含有Ti、Fe主元，而且这两种元素在焊丝中的含量要低于其它主元；由于Ti元素在焊缝中的溶解能力大于Fe，焊丝中的Ti含量较低，而Fe的含量则相对较高。②Zr与Be与活性金属Ti具有很好的相容性，用之可有效抑制脆性金属间化合物产生。③通过在中间层合金中添加Ni元素，其既可与Fe无限固溶，又可与Zr、Ti和Be互溶，Ni的加入能够改善焊缝与钛母材的熔合性，易于形成高熵合金焊缝，拟制金属间化合物形成。这样，应用选择的焊丝经过焊接过程，形成的焊缝金属仍然是高熵合金，基本消除脆性金属间化合物，接头性能较高。

本发明的高熵合金焊丝的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1、熔配母合金：

按原子百分比组成，其中Zr为30%～33%，Ti为8%～12%，Fe为15%～18%，Ni为20%～24%，Be为20%～24%，总的百分比为100%。将上述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，将上述组分混匀、压实成坯待用；将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、应用金属纺绩技术，将步骤1得到的母合金重新熔化，经过纺绩轮的急冷快速凝固制备成非晶态高熵合金焊丝。通过改变电机转速来调整纺轮线速度，将纺绩轮线速度控制在5～8m/s，所制备得到的非晶焊丝的直径在Ф0.8～Ф1.4mm。该非晶态高熵合金焊丝具有优良的强度、韧性及耐蚀性能，且成形性优良。

实施例1

依照总的原子百分比为100%，Zr31%，Ti8%，Fe18%，Ni21%，Be22%的数据选取各组分元素含量，将纺绩轮线速度控制在5～8m/s，并按照上述实施方式制备出直径为Ф1.1mm的非晶态Zr31Ti8Fe18Ni21Be22高熵焊丝。应用TIG焊对TA2钛与Q235钢板进行焊接，焊接工艺参数为：Ar气流量8-10L/min，电弧电压10-12V，焊接电流100A，焊接速度50-60mm/min。焊缝金属融合性好，熔合区无裂纹，获得焊接接头的抗拉强度约410MPa。

实施例2：

依照总的百分比为100%，Zr33%，Ti11%，Fe15%，Ni21%，Be20%的数据选取各组分元素含量，将纺绩轮线速度控制在5～8m/s，并按照上述实施方式制备出直径为Ф1.2mm的非晶态Zr33Ti11Fe15Ni21Be20高熵焊丝。应用TIG焊对TA2钛与Q235钢板进行焊接，焊接工艺参数为：Ar气流量8-10L/min，电弧电压10-12V，焊接电流100A，焊接速度50-60mm/min。焊缝金属融合性好，熔合区无裂纹，获得焊接接头的抗拉强度约392MPa。

实施例3：

依照总的原子百分比为100%，Zr32%，Ti10%，Fe16%，Ni22%，Be20%的数据选取各组分元素含量，将纺绩轮线速度控制在5～8m/s，并按照上述实施方式制备出直径为Ф1.2mm的非晶态Zr32Ti10Fe16Ni20Be20高熵焊丝。应用TIG焊对TA2钛与Q235钢板进行焊接，焊接工艺参数为：Ar气流量8-10L/min，电弧电压10-12V，焊接电流90A，焊接速度50-60mm/min。焊缝金属融合性好，熔合区无裂纹，获得焊接接头的抗拉强度约403MPa。

该高熵合金焊丝本身为五主元高熵合金，经过焊接过程，形成的焊缝金属依然为高熵合金。使用上述高熵合金焊丝焊后形成的焊缝基本上消除脆性金属间化合物，接头性能较高。

综上所述，本发明的非晶态高熵合金焊丝，熔炼及加工成形性能好，在焊接时与钛及合金钢的匹配性好、焊缝金属基本为单相fcc固溶体组织，接头综合机械性能显著提高；该种高熵合金焊丝的制备方法，工艺简单，制作成本低廉。应用非晶态高熵合金焊丝焊接钛-钢的工艺简单，焊接区无裂纹，接头的抗拉强度较高。

Claims (3)

1.一种用于焊接钛-钢的高熵合金焊丝，其特征在于，由以下组分按原子百分比组成：Zr为30%～33%，Ti为8%～12%，Fe为15%～18%，Ni为20%～24%，Be为20%～24%，总的百分比为100%。

2.一种权利要求1所述的用于焊接钛-钢的高熵合金焊丝的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、熔配母合金

按原子百分比组成，其中Zr为30%～33%，Ti为8%～12%，Fe为15%～18%，Ni为20%～24%，Be为20%～24%，总的百分比为100%，

将上述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，将上述组分混匀、压实成坯待用；将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、应用金属纺绩技术，将步骤1得到的母合金重新熔化，经过纺绩轮的急冷快速凝固制备成非晶态高熵合金焊丝，即成。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，将纺绩轮线速度控制在5～8m/s，所制备得到的非晶焊丝的直径在Ф0.8～Ф1.4mm。