CN108977805B - 一种表面微合金化改善镁合金焊接接头的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面微合金化改善镁合金焊接接头的方法，属于材料加工中的焊接工艺技术领域。开发出一种包含Al、Ti、Cr、Mn、Ni的金属粉末及Sc、Nd稀土元素粉末组成的混合粉末，利用激光微合金化技术对镁合金焊缝区域进行表面改性，改善镁合金焊接接头综合性能。其中粉末各组份的质量百分比为：Al：9.1％～9.4％，Ti：5.4～5.8％，Cr：4.1～4.3％，Mn：0.05～0.2％，Sc：0.03～0.2％，Nd：0.8％～2.2％，Ni为余量。激光微合金化粉末粒度为100～300目。采用激光微合金化技术在镁合金焊接接头表面得到性能良好的含纳米相熔覆层，稀土元素能与其他合金元素及Mg合金基体熔化层生成大量的合金化合物增强相，并能够有效细化熔覆层的微观组织、改善镁合金焊接接头的力学性能，且大幅提升镁合金焊接接头的抗腐蚀性能。

Description

一种表面微合金化改善镁合金焊接接头的方法
技术领域
本发明属于镁合金焊接技术领域，具体涉及一种表面微合金化改善镁合金焊接接头的方法。
背景技术
随着现代工业的发展，能源短缺和环境污染问题愈加突出，以镁合金为代表的轻质高强材料受到了人们的广泛关注。镁合金的密度介于1.75～1.90g/cm3之间，相当于铝的2/3、钛的2/5、钢的1/4，是无可争议的最轻金属结构材料。镁合金还具有比强度高、抗冲击性能好、抗辐射能力强等优点，被誉为“21世纪的绿色材料”和“最重要的商用轻质材料”
随着镁合金应用范围的逐渐扩大，不同牌号的镁合金交叉使用的情况不断增多，形成性能优良的异种镁合金复合构件是十分必要的。这不仅能够发挥不同牌号镁合金性能的互补性，而且能够大大降低部件的装配难度，譬如喷气式歼击机“洛克希德F-80”的机翼采用镁合金焊接复合构件制造后，其结构零件数量从47758个降为16050个。因此，利用焊接技术将不同牌号镁合金焊合组成复合构件，成为镁合金扩大应用的关键技术之一。
然而由于镁合金独特的物理化学性质，导致镁合金焊接难度较大，焊接过程易出现焊缝晶粒粗大、焊后残余应力较大、焊缝容易下塌等问题，焊接接头力学性能较差，严重制约了镁合金的工程应用。
激光表面合金化技术是通过在基体表面添加合金粉末材料，在高能量密度激光束的作用下，使其和基体表面共同熔凝，使基体表面能够生成与基体成份、物理性能等完全不同的表面合金层，有效改善基体的物理性能。
作为一种新型表面改性技术，激光表面合金化技术具有以下特点：(1)熔敷层能与基体进行冶金结合，结合力强；(2)该技术具有快速加热和快速凝固冷却的特点，过冷度大，能够提高晶体形核率，抑制晶粒长大，细化晶粒；(3)该技术热影响较小，能够减少工件的热变形和残余应力。
引入稀土元素对基材进行微合金化表面改性，是提高基材物理性能的有效手段。稀土元素由于具有独特的核外电子排布，可作为一种“活性元素”，对多种金属材料都具有净化、变质和合金化的作用，能有效改善金属材料的抗高温、热加工、力学以及耐蚀性能。
发明内容
本发明针对镁合金焊接接头存在的共性问题，引入了激光表面合金化技术对镁合金焊接接头进行表面改性，并基于镁合金独特的物理化学性质，在大量实验的基础上，开发出了一种添加微量稀土元素进行微合金化表面改性的方法，通过激光合金化技术在焊缝表面生成一种表面防护层，可大幅改善镁合金焊接接头的力学性能和抗腐蚀性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种表面微合金化改善镁合金焊接接头用混合粉料，由如下重量百分数的原料组成：Al：9.1％～9.4％，Ti：5.4～5.8％，Cr：4.1～4.3％，Mn：0.05～0.2％，Sc：0.03～0.2％，Nd：0.8％～2.2％，Ni为余量。
在一些实施例中，由如下重量百分数的原料组成：Al：9.1％～9.2％，Ti：5.4～5.6％，Cr：4.1～4.2％，Mn：0.05～0.1％，Sc：0.03～0.1％，Nd：0.8％～1.5％，Ni为余量。
在一些实施例中，由如下重量百分数的原料组成：Al：9.2％～9.4％，Ti：5.6～5.8％，Cr：4.2～4.3％，Mn：0.1～0.2％，Sc：0.1～0.2％，Nd：1.5％～2.2％，Ni为余量。
在一些实施例中，所述粉料粒径为100～300目。
本发明还提供了一种表面微合金化改善镁合金焊接接头的方法，包括：
采用物理方法对镁合金焊接接头进行表面处理；
采用任一上述的粉料作为激光表面微合金化粉末对镁合金焊接接头的焊缝及热影响区进行激光表面改性；
激光表面改性结束后，将焊接接头转移至加热装置中，进行热处理。
在一些实施例中，所述表面处理的具体步骤为：首先用砂纸、钢刷机械方法去除待焊板材表面氧化层，再用丙酮清理板材表面油脂等其他有机杂质。
在一些实施例中，所述微合金化表面改性工艺参数如下：激光表面微合金化采用前置同步送粉方式，熔覆过程采用惰性气体保护，喷嘴末端到母材表面距离为1～3cm，送粉口径为2～4mm，送粉喷嘴与母材成40～65°夹角，采用氩气进行载气和气体保护，载气和保护气体流量分别为4～7L/min和8～11L/min。激光器离焦量为9～17mm，激光功率在1400W～2600W之间，激光光斑为2.5～4mm，扫描速度为0.3m/min～0.7m/min。
在一些实施例中，所述热处理方式为：将表面改性后的焊接接头在110～170℃下退火10～24h。
本发明还提供了任一上述的方法焊接的镁合金。
本发明的有益效果
(1)针对镁合金的物理化学性质，开发出了一种包含Al、Ti、Cr、Mn、Ni金属粉末及Sc、Nd稀土元素的混合粉末，并采用激光合金化技术在Mg合金焊接接头表面得到性能良好的含纳米相表面改性防护层。稀土元素Sc为3d过渡元素，在Mg中的固溶度可达15.9％，可起到很好的固溶强化作用，Sc密度为3g/cm3比其他稀土元素的密度都要小，更能体现Mg合金低密度的特点。Sc与其他外加合金元素一起还能够形成复杂的化合物强化相，譬如与Al反应生成Al3Sc沉淀相，该相是合金凝固过程的领先相，会在固液界面处富集阻碍枝晶生长和增大固液界面处的过冷度，导致合金组织细化，此外还对晶界有很强的钉扎作用，从而使合金的屈服强度和抗拉强度均得到有效提高。与Mn反应则生成稳定的Mn2Sc或Mn23Sc6，可有效提升抗蠕变性能，稀土元素Sc的加入极大的改善了Mg合金焊接接头的室温和高温性能。稀土元素Nd在Mg中的最大固溶大为3.6％，能够能够对Mg合金产生显著的时效强化作用。时效析出的Mg3Nd、Mg12Nd相属于高熔点的硬质相，具有很好的热稳定性，能够有效提高Mg合金的基体强度和抗蠕变性能。Nd还能与Al生成金属间化合物Al11Nd3，该相能够细化合金组织，使共晶组织完全离异，提高了合金的硬度和抗拉强度，此外Nd还能与Al生成弥散化的Al4Nd相，可以有效阻碍位错的运动，提高合金的强度。稀土元素Sc、Nd可以同时改善Mg17Al12相的形态、分布，使得Mg17Al12相由连续网状分布变为断续弥散分布，使得Mg合金组织成份分布更加细致均匀，如此便减小了单个阳极反应区，使阳极反应不能更广泛、深入的进行，并促进了基材表面钝化，使合金的腐蚀电位正移，大幅降低了合金的腐蚀速率。经表面微合金化改性后，Mg合金焊接接头的抗拉强度可提高13％～21％，断后延伸率提高12％以上。镁合金焊接接头的抗腐蚀性能提高接近1个数量级，对于扩大镁合金的工程应用具有重要意义。
(2)本发明的制备方法及所需设备简单，易操作，工艺参数便于控制，原料及仪器设备使用成本低等。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是实施例1所制备的利用激光微合金化表面改性技术将所配混合粉料在AZ61变形镁合金焊缝表面进行熔覆的微观组织图；
图2是实施例2所制备的利用激光微合金化表面改性技术将所配混合粉料在AM30变形镁合金焊缝表面进行熔覆的微观组织图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
采用物理方法对镁合金焊接接头进行表面处理；
选定合适的工艺参数对焊缝及热影响区进行激光微合金化表面改性；
表面改性后，将焊接接头转移至加热装置中，进行热处理；
优选的，步骤(1)中表面处理方式具体为：首先用砂纸、钢刷机械方法去除待焊板材表面氧化层，再用丙酮清理板材表面油脂等其他有机杂质；
优选的，步骤(2)中微合金化表面改性工艺参数如下：激光微合金化采用前置同步送粉方式，熔融过程采用惰性气体保护，喷嘴末端到母材表面距离为1～3cm，送粉口径为2～4mm，送粉喷嘴与母材成40～65°夹角，采用氩气进行载气和气体保护，载气和保护气体流量分别为4～7L/min和8～11L/min。激光器离焦量为9～17mm，激光功率在1400W～2600W之间，激光光斑为2.5～4mm，扫描速度为0.3m/min～0.7m/min。
进一步优选的，步骤(2)中所用的混合粉料成份为：Al、Ti、Cr、Mn、Ni金属粉末及Sc、Nd稀土元素粉末，其中粉末各组份的质量百分比为：Al：9.1％～9.4％，Ti：5.4～5.8％，Cr：4.1～4.3％，Mn：0.05～0.2％，Sc：0.03～0.2％，Nd：0.8％～2.2％，Ni为余量。激光微合金化粉末粒度为100～300目。
优选的，步骤(4)中热处理方式为：表面改性后，将焊接接头在110～170℃下退火10～24h，消除焊接残余应力，进一步提高熔覆层的综合性能。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施所用原料均采用市售分析纯试剂。
实施例1
首先对AZ61镁合金轧制板材进行自动氩弧对焊：
1)AZ61镁合金轧制板材厚度均为5mm，尺寸均为60×120mm；
2)焊后对用砂纸、钢刷机械方法去除待焊板材表面氧化层，再用丙酮清理板材表面以去除各种杂质；
3)如图1所示对AZ61镁合金焊接接头焊缝及热影响区进行激光微合金化表面改性，工艺如下：激光微合金化采用前置同步送粉方式，熔覆过程采用惰性气体保护，喷嘴末端到母材表面距离为2.5cm，送粉口径为2.5mm，送粉喷嘴与母材成65°夹角，采用氩气进行载气和气体保护，载气和保护气体流量分别为7L/min和10L/min。激光器离焦量为10mm，激光功率为1700W，激光光斑为2.5mm，扫描速度为0.4m/min。
4)激光微合金化过程所用混合粉末各组份的质量百分比为：Al：9.1％，Ti：5.4％，Cr：4.1％，Mn：0.08％，Sc：0.09％，Nd：1.2％，Ni为余量。激光微合金化粉末粒度为100～300目。
5)表面改性后，在150℃下退火10h，消除焊接残余应力，提升焊接接头的综合性能。
利用激光微合金化技术将所配混合粉料在AZ61镁合金焊缝表面进行熔覆，其微观组织如图1所示，AZ61镁合金焊接接头的抗拉强度由297MPa提高至334MPa，断后延伸率有15.4％提高至18.7％。
利用气体收集法对激光微合金化表面改性前后焊缝区域样品进行腐蚀性能测试，结果表明经激光微合金化表面改性之后，AZ61镁合金焊接接头的腐蚀速率由2.3mg/(cm2·d)降为0.35mg/(cm2·d)，耐蚀性能大幅改善。
实施例2
首先对AM30镁合金轧制板材进行激光对焊：
1)AM30镁合金轧制板材厚度均为6mm，尺寸均为60×120mm；
2)焊后对用砂纸、钢刷机械方法去除待焊板材表面氧化层，再用丙酮清理板材表面以去除各种杂质；
3)如图1所示对AM30镁合金焊接接头焊缝及热影响区进行激光微合金化表面改性，工艺如下：激光微合金化采用前置同步送粉方式，熔覆过程采用惰性气体保护，喷嘴末端到母材表面距离为1.5cm，送粉口径为3.5mm，送粉喷嘴与母材成55°夹角，采用氩气进行载气和气体保护，载气和保护气体流量分别为8L/min和11L/min。激光器离焦量为13mm，激光功率在1900W之间，激光光斑为3mm，扫描速度为0.5m/min。
4)激光微合金化过程所用混合粉末各组份的质量百分比为：Al：9.3％，Ti：5.6％，Cr：4.2％，Mn：0.13％，Sc：0.12％，Nd：1.7％，Ni为余量。激光微合金化粉末粒度为100～300目。
5)表面改性后，在140℃下退火18h，消除焊接残余应力，提升焊接接头的综合性能。
利用激光微合金化技术将所配混合粉料在AM30镁合金焊缝表面进行熔覆，其微观组织如图2所示，AM30镁合金焊接接头的抗拉强度由253MPa提高至292MPa，断后延伸率有14.1％提高至16.8％。
利用气体收集法对激光微合金化表面改性前后焊缝区域样品进行腐蚀性能测试，结果表明经激光微合金化表面改性之后，AM30镁合金焊接接头的腐蚀速率由3.1mg/(cm2·d)降为0.41mg/(cm2·d)，耐蚀性能大幅改善。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种表面微合金化改善镁合金焊接接头用混合粉料，其特征在于，由如下重量百分数的原料组成：Al：9.1～9.4％，Ti：5.4～5.8％，Cr：4.1～4.3％，Mn：0.05～0.2％，Sc：0.03～0.2％，Nd：0.8～2.2％，Ni为余量。
2.如权利要求1所述的粉料，其特征在于，由如下重量百分数的原料组成：Al：9.1～9.2％，Ti：5.4～5.6％，Cr：4.1～4.2％，Mn：0.05～0.1％，Sc：0.03～0.1％，Nd：0.8～1.5％，Ni为余量。
3.如权利要求1所述的粉料，其特征在于，由如下重量百分数的原料组成：Al：9.2～9.4％，Ti：5.6～5.8％，Cr：4.2～4.3％，Mn：0.1～0.2％，Sc：0.1～0.2％，Nd：1.5～2.2％，Ni为余量。
4.如权利要求1所述的粉料，其特征在于，所述粉料粒径为100～300目。
5.一种表面微合金化改善镁合金焊接接头用混合粉料的方法，其特征在于，包括：
采用物理方法对镁合金焊接接头进行表面处理；
采用权利要求1所述的粉料作为激光微合金化熔覆粉末对镁合金焊接接头的焊缝及热影响区进行激光微合金化表面改性；
表面改性后，将焊接接头转移至加热装置中，进行热处理。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述表面处理的具体步骤为：首先用砂纸、钢刷机械方法去除待焊板材表面氧化层，再用丙酮清理板材表面油脂。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述微合金化表面改性工艺参数如下：激光微合金化表面改性技术采用前置同步送粉方式，熔覆过程采用惰性气体保护，喷嘴末端到母材表面距离为1～3cm，送粉口径为2～4mm，送粉喷嘴与母材成40～65°夹角，采用氩气进行载气和气体保护，载气和保护气体流量分别为4～7L/min和8～11L/min。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，熔覆过程中，激光器离焦量为9～17mm，激光功率在1400W～2600W之间，激光光斑为2.5～4mm，扫描速度为0.3m/min～0.7m/min。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述热处理方式为：表面改性后，将焊接接头在110～170℃下退火10～24h。
10.权利要求5-9任一项所述的方法改善的镁合金焊接接头。
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