CN103639619B - 一种用于钛与钢tig焊接的高熵合金焊丝的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于钛与钢TIG焊接的高熵合金焊丝，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100%，Zr为30～33%，Cu为8～12%，Fe为15～18%，Ni为20～24%，Be为20～24%。本发明还公开了该种用于钛与钢TIG焊接的高熵合金焊丝的制备方法。本发明的非晶态高熵合金焊丝，熔炼及加工成形性能好，焊丝的制备方法和工艺简单，制作成本低廉。应用非晶态高熵合金焊丝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

一种用于钛与钢TIG焊接的高熵合金焊丝的制备方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种用于钛与钢TIG焊接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，但因钛金属价格较高，限制了其进一步的发展应用；而钛-钢复合板价格相当于钛材的25～35％，同时兼具钛与钢的优良特性，是节约钛金属的很好途径，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。利用钛-钢复合板生产出的设备性价比高，但其自身的结构复杂，其焊接施工难度远远大于钛/钛、钢/钢同质材料。
目前，用于钛/钢焊接的主要方法包括压力焊(分为扩散焊、摩擦焊和爆炸焊)，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钛与钢TIG焊接的高熵合金焊丝的制备方法，解决了现有技术中，在TIG焊接方法实现钛/钢焊接时，易形成硬脆的金属间化合物导致焊缝开裂，不易于获得高性能制件的问题。
本发明采用的技术方案是，一种用于钛与钢TIG焊接的高熵合金焊丝的制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、利用超高真空电弧炉熔配母合金
按原子百分比组成，其中Zr为30～33％，Cu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，将上步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，本发明的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。该高熵合金焊丝的焊接操作工艺简单，方便高效，对焊接工艺适应性好，便于工程推广。
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。
本发明的用于钛与钢TIG焊接的高熵合金焊丝，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100％，Zr为30～33％，Cu为8～12％，Fe为15～18％，Ni为20～24％，Be为20～24％。
经过焊接过程，所形成的焊缝金属为Zr-Ti-Fe-Ni-Cu-Be为主元的高熵合金，基本上消除脆性金属间化合物，接头性能较高。
本发明的合金成分中，各化学元素的组成及含量限定理由是：
为了提高钛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，合金主元选择Zr-Ni-Cu-Be四元系非晶态合金。主要原因有三点：①Zr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。②通过在中间层合金中添加Ni、Cu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。③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Fe主元。考虑到Ti元素在焊接过程中极易熔(溶)解进入焊缝金属之中，为了确保焊接完成之后，焊缝中Ti元素的含量处于形成高熵合金所需要的成分范围，焊丝中不选择添加Ti元素。
本发明的高熵合金焊丝，其制备方法按照以下步骤实施：
步骤1、利用超高真空电弧炉熔配母合金：
按原子百分比组成，其中Zr为30～33％，Cu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，将上步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绩轮线速度，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
依照总的百分比为100％，Zr31％，Cu8％，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Zr31Cu8Fe18Ni21Be22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％，Cu11％，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Zr33Cu11Fe15Ni21Be20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
依照总的百分比为100％，Zr32％，Cu10％，Fe16％，Ni20％，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Ф1.2mm的Zr32Cu10Fe16Ni20Be20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。
综上所述，本发明的高熵合金焊丝，本身为非晶态高熵合金，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。

Claims (1)

1.一种用于钛与钢TIG焊接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、利用超高真空电弧炉熔配母合金
按原子百分比组成，其中Zr为30～33％，Cu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，将上步得到的母合金重新熔化，将纺绩轮线速度控制在5～8m/s，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。
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