CN108284287B - 一种船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及船用钛合金应用研究评价体系中的船用钛合金韧性考核试验材料领域，具体的说是一种船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝及其制备方法。所述焊丝由以下质量百分比的元素组分制备而成：铝：2.0‑7.0%，钼：3.0‑6.0%，钒：5.0‑10.0%，铬：2.0‑5.0%，锡：1.0‑5.0%，余量为钛。通过本发明的焊丝可解决落锤试验、爆炸试验等在船用钛合金韧性考核应用过程中面临的引入自然尖锐裂纹的难题，进而可完善船用钛合金落锤试验、爆炸试验方法等，使船用钛合金应用研究考核评价体系更加完整。

Description

一种船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及船用钛合金应用研究评价体系中的船用钛合金韧性考核试验材料领域，具体的说是一种船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝及其制备方法。
背景技术
裂纹源脆性焊道在许多金属韧性性能考核试验中得到了应用。在应用中，首先在金属基材上堆焊裂纹源脆性焊道，然后采用外来载荷对脆性焊道进行冲击并导致脆性焊道开裂以在脆性焊道上引入一条尖锐的自然裂纹，通过脆性焊道上的自然裂纹扩展至金属基体材料使金属基体材料产生尖锐的自然裂纹，最后以金属基体材料上的裂纹模拟实际服役工况，对金属基体材料进行相关研究。我国通过对国外技术的引进及消化吸收，在GB/T6803-2008《铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法》以及GJB 607A-98《金属材料及其焊件的爆炸试验方法》中，对于船用钢的裂纹源脆性焊道堆焊焊条制定了明确的标准。
近些年来，钛合金以其诸多优良特性，例如：具有密度小、比强度高、耐蚀性强、耐高低温、透声性好、无磁性、可冷热成形、焊接性能好，特别是在海水和酸性烃类化合物中具有优异的耐蚀性，成为了海洋技术特别是含盐环境优选的材料。因此，钛合金被誉为“海洋金属”，是海洋工程最有前途的金属材料，从而使钛合金材料大量应用于我国的舰船制造领域中。
但是由于我国船用钛合金研究起步晚，船用钛合金的应用评价体系还未健全，没有专用于钛合金材料的专用裂纹源脆性焊道堆焊材料，在通过现有技术标准中的钢丝或不锈钢丝在钛合金基体材料上堆焊裂纹源脆性焊道进行相关实验时，往往脆性焊道的开裂不能扩展至钛合金基体材料上，无法在钛合金基材上引入尖锐的自然裂纹来模拟实际服役工况，阻碍了船用钛合金应用考核评价试验的进一步发展，也阻碍了钛合金材料在舰船制造中的全面应用。
发明内容
本发明旨在提供一种船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝及其制备方法，以解决落锤试验、爆炸试验等在船用钛合金韧性考核应用过程中面临的引入自然尖锐裂纹的难题，进而完善船用钛合金落锤试验、爆炸试验方法等，使船用钛合金应用研究考核评价体系更加完整。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：一种船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝，所述焊丝由以下质量百分比的元素组分制备而成：铝：2.0-7.0%，钼：3.0-6.0%，钒：5.0-10.0%，铬：2.0-5.0%，锡：1.0-5.0%，余量为钛。
一种制备船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）、按照所述质量百分比分别称取铝、钼、钒、铬、锡以及钛元素，将称取到的铝、钼、钒、铬、锡以及钛元素经过混合后通过压制制备成电极；
2）、将步骤1）中制备的电极通过真空自耗电弧熔炼制备成铸锭，真空自耗电弧熔炼的次数不小于三次；
3）、将步骤2）中制备的铸锭经车皮和去缩口后经过加热进行开坯锻造制备成锻件；
4）、将步骤3）中制备的锻件轧制成盘条；
5）、将步骤4）中制备的盘条通过拉拔拉制成φ0.8～φ4 mm规格的圆丝，或将步骤4）中制备的盘条采用线切割制成0.3～8mm规格的方丝,所述圆丝或方丝即为船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝。
优选的，所述步骤1）中的钒元素以铝钒中间合金和钼钒中间合金的形式称取，钼元素以钼钒中间合金和铝钼中间合金的形式称取，铬元素和锡元素分别以纯金属的形式称取，铝元素部一分以纯金属的形式称取，另一部分以铝钒中间合金和铝钼中间合金的形式称取。
优选的，所述步骤2）中真空自耗电弧熔炼的预熔真空度不大于1Pa。
有益效果
本发明的焊丝可在不同的船用钛合金基体材料表面利用不同的焊接方法进行裂纹源脆性焊道堆焊。经该焊丝堆焊出的脆性焊道具有脆性较大、与基体材料熔合性较好、弹性模量相当的特点。通过落锤实验以及爆炸实验施加外来冲击载荷，脆性焊道较易开裂，可引入一条尖锐的自然裂纹，扩展至基体材料来模拟基体材料的实际服役工况。该脆性焊道具有冲击韧性KV2≤10J，延伸率A≤5%的特征，解决了船用钛合金韧性性能考核试验过程中裂纹源脆性焊道制备问题。
本发明的焊丝相对于其它合金如钢丝或不锈钢丝等更易与钛合金基体材料熔合，焊接较易实现。此外该合金的弹性模量与基体材料的弹性模量较为接近，在弹性变形阶段特征相似。选用专用的钛合金焊丝更能够反映实际工程应用中船用钛合金加工、服役过程中面临的工况。
具体实施方式
下面结合4个实施例对本发明的进一步说明，4个实施例中制备的船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝中所采用的各元素组成如表1所示：
其中的钒元素以铝钒中间合金和钼钒中间合金的形式称取，钼元素以钼钒中间合金和铝钼中间合金的形式称取，铬元素和锡元素分别以纯金属的形式称取，铝元素部一分以纯金属的形式称取，另一部分以铝钒中间合金和铝钼中间合金的形式称取。
实施例1：Ti-2Al-6Mo-5V-3Cr-2Sn船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝的制备：
1）、按表1中的实施例1所列成分称量原料，将2wt.%的铝元素、6wt.%的钼元素、5wt.%的钒元素、3wt.%的铬元素、2wt.%的锡元素和工业1级海绵钛通过混料并压制成电极；
2）、将步骤1）中制备的电极通过真空自耗电弧熔炼制备成铸锭，预熔真空度应达到1Pa，为保证合金成分均匀，真空自耗电弧熔炼的次数不小于三次；
3）、将步骤2）中制备的铸锭经车皮和去缩口后经Tβ+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件；
4）、将步骤3）中制备的锻件轧制成盘条；
5）、将步骤4）中制备的盘条通过拉拔拉制成φ0.8～φ4 mm规格的圆丝，或将步骤4）中制备的盘条采用线切割制成0.3～8mm规格的方丝,所述圆丝或方丝即为实施例1的船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝。
实施例2：Ti-7Al-3Mo-5V-2Cr-1Sn合金船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝的制备：
1）、按表1中的实施例2所列成分称量原料，将7wt.%的铝元素、3wt.%的钼元素、5wt.%的钒元素、2wt.%的铬元素、1wt.%的锡元素和工业1级海绵钛通过混料并压制成电极；
2）、将步骤1）中制备的电极通过真空自耗电弧熔炼制备成铸锭，预熔真空度应达到1Pa，为保证合金成分均匀，真空自耗电弧熔炼的次数不小于三次；
3）、将步骤2）中制备的铸锭经车皮和去缩口后经Tβ+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件；
4）、将步骤3）中制备的锻件轧制成盘条；
5）、将步骤4）中制备的盘条通过拉拔拉制成φ0.8～φ4 mm规格的圆丝，或将步骤4）中制备的盘条采用线切割制成0.3～8mm规格的方丝,所述圆丝或方丝即为实施例2的船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝。
实施例3：Ti-5Al-4Mo-6V-2Cr-5Sn合金船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝的制备：
1）、按表1中的实施例3所列成分称量原料，将5wt.%的铝元素、4wt.%的钼元素、6wt.%的钒元素、2wt.%的铬元素、5wt.%的锡元素和工业1级海绵钛通过混料并压制成电极；
2）、将步骤1）中制备的电极通过真空自耗电弧熔炼制备成铸锭，预熔真空度应达到1Pa，为保证合金成分均匀，真空自耗电弧熔炼的次数不小于三次；
3）、将步骤2）中制备的铸锭经车皮和去缩口后经Tβ+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件；
4）、将步骤3）中制备的锻件轧制成盘条；
5）、将步骤4）中制备的盘条通过拉拔拉制成φ0.8～φ4 mm规格的圆丝，或将步骤4）中制备的盘条采用线切割制成0.3～8mm规格的方丝,所述圆丝或方丝即为实施例3的船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝。
实施例4：Ti-3Al-3Mo-10V-5Cr-1Sn合金船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝的制备：
1）、按表1中的实施例4所列成分称量原料，将3wt.%的铝元素、3wt.%的钼元素、10wt.%的钒元素、5wt.%的铬元素、1wt.%的锡元素和工业1级海绵钛通过混料并压制成电极；
2）、将步骤1）中制备的电极通过真空自耗电弧熔炼制备成铸锭，预熔真空度应达到1Pa，为保证合金成分均匀，真空自耗电弧熔炼的次数不小于三次；
3）、将步骤2）中制备的铸锭经车皮和去缩口后经Tβ+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件；
4）、将步骤3）中制备的锻件轧制成盘条；
5）、将步骤4）中制备的盘条通过拉拔拉制成φ0.8～φ4 mm规格的圆丝，或将步骤4）中制备的盘条采用线切割制成0.3～8mm规格的方丝,所述圆丝或方丝即为实施例4的船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝。
将上述4个实施例中制备的船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝经熔覆金属性能试验测试得到的冲击韧性（KV2/J）和延伸率（A/%）如下表2所示：
将上述4个实施例中制备的船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝分别堆焊在不同的钛合金基体材料上，每一个实施例中的焊丝分别堆焊100个裂纹源脆性焊道。对每一个裂纹源脆性焊道采用手锯开缺口后，对每个实施例焊丝制备的100个裂纹源脆性焊道选取90个，利用落锤试验机进行落锤测试，剩余10个利用爆炸测试法进行爆炸测试，测试结束后，通过目测观察裂纹源脆性焊道上的尖锐自然裂纹是否扩展至对应的钛合金基材，测试结构如表3所示：
如表2及表3所示，本发明的船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝所堆焊的裂纹源脆性焊道具有脆性较大、与基体材料熔合性较好、弹性模量相当的特点，且脆性焊道较易开裂，可引入一条尖锐的自然裂纹，扩展至基体材料来模拟基体材料的实际服役工况，从而解决了船用钛合金韧性性能考核试验过程中裂纹源脆性焊道制备问题。

Claims (4)

1.一种船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝，其特征在于：所述焊丝由以下质量百分比的元素组分制备而成：铝：2.0-7.0%，钼：3.0-6.0%，钒：5.0-10.0%，铬：2.0-5.0%，锡：1.0-5.0%，余量为钛。
2.一种制备权利要求1所述的船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）、按照所述质量百分比分别称取铝、钼、钒、铬、锡以及钛元素，将称取到的铝、钼、钒、铬、锡以及钛元素经过混合后通过压制制备成电极；
2）、将步骤1）中制备的电极通过真空自耗电弧熔炼制备成铸锭，真空自耗电弧熔炼的次数不小于三次；
3）、将步骤2）中制备的铸锭经车皮和去缩口后经过加热进行开坯锻造制备成锻件；
4）、将步骤3）中制备的锻件轧制成盘条；
5）、将步骤4）中制备的盘条通过拉拔拉制成φ0.8～φ4 mm规格的圆丝，或将步骤4）中制备的盘条采用线切割制成0.3～8mm规格的方丝,所述圆丝或方丝即为船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝。
3.根据权利要求2所述的一种制备船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝的方法，其特征在于：所述步骤1）中的钒元素以铝钒中间合金和钼钒中间合金的形式称取，钼元素以钼钒中间合金和铝钼中间合金的形式称取，铬元素和锡元素分别以纯金属的形式称取，铝元素部一分以纯金属的形式称取，另一部分以铝钒中间合金和铝钼中间合金的形式称取。
4.根据权利要求2所述的一种制备船用钛合金的裂纹源脆性焊道堆焊焊丝的方法，其特征在于：所述步骤2）中真空自耗电弧熔炼的预熔真空度不大于1Pa。
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