CN109909643B - 一种用于焊接的中熵合金材料及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于焊接的中熵合金材料及焊接方法，涉及焊接材料技术领域，其中，所述中熵合金材料的成分为CrCoNi，按照以下原子百分比组成，其中Cr为20％～50％，Co为20％～50％，Ni为20％～50％，总的百分比为100％。本发明还公开了应用所述中熵合金材料的焊接方法进行金属材料焊接，尤其是异种金属材料焊接。本发明利用中熵合金中的“扩散阻滞”效应，延缓甚至阻止焊接过程中异种材料的扩散，防止了各种脆性中间相的形成，极大提升了焊缝机械性能，且涉及的元素较少，配制简单，易于实现工业化生产，同时具有成本低、环境友好等优点。

Description

一种用于焊接的中熵合金材料及焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，尤其涉及一种用于焊接的中熵合金材料及焊接方法。

背景技术

金属材料的焊接广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、核电等领域，是诸多装备制造过程中必不可少的关键环节。然而，焊接接头，尤其是某些异种材料的焊接接头，由于材料中元素组分在熔化及加热过程中的互扩散，极易在焊接接头区域产生脆性金属间化合物相，从而导致焊接接头及整体结构力学性能急剧下降，极大地限制了熔化焊接的工程应用。目前，采用与焊接对象不同的金属材料作为隔离层，杜绝焊接材料的直接接触，是实现异种材料高质量焊接的有效方法之一。

高熵合金(High Entropy Alloy，HEA)是多主元合金的一个分支，意为五种或以上元素组成的单相合金，其概念首先于2004年被提出。在高熵合金中，多种原子半径各异，带来极大的晶格畸变导致原子的扩散极为困难，此所谓“扩散阻滞”效应。此外，高熵合金中还有“高熵效应”、“鸡尾酒效应”、“晶格畸变效应”，共四种核心效应，决定了高熵合金相对于传统金属材料的巨大差别。

中熵合金则是近些年来在高熵合金基础上发展出的又一类新概念，意为主元素为三元的单相合金。中熵合金中同样有着“扩散阻滞”效应，且强韧性匹配一般较高熵合金更优。目前，国内专家对此做过大量研究，中国发明专利CN 108866417 A利用在中熵合金CoCrNi体系中加入Mn元素来提高抗拉强度和延伸率。中国发明专利CN108998714 A.利用真空熔炼面心立方(FCC)单相CoCrNi母合金-真空熔炼体心立方(BCC)单相AlTiNi中间合金，母合金和中间合金重熔吸铸-均匀化退火-时效处理-固溶处理获得FCC+BCC双相中熵合金。以上两种合金均以CrCoNi中熵合金为基体，通过添加其他元素或相以获得更高的强度、耐蚀性等。但若将此类中熵合金用于焊接，人为引入其它相则会导致更多脆性中间相的产生，显著削弱焊接性能。

使用高熵合金作为焊接材料也是近年来国内研究热点之一。中国发明专利CN104476010 A公开了可用于TIG焊钛/不锈钢的TiFeCrCuNi体系高熵合金焊丝，中国发明专利CN 108161278 A、CN 108161276 A、CN 108161277 A、CN 107999991 A等公开了FeAlCoCrNiCu、FeMgCrNiCu、FeAlCoCrNiCu、FeTiCoCrNiCu等多种体系的高熵合金焊丝，可分别用于铝-钢MIG焊、镁-钢MIG焊、铝-钢埋弧焊、钛-钢MIG焊等异种材料焊接，实现了焊缝的高熵化，能得到具有优良强度和韧性的焊缝。但相较中熵合金，高熵合金的强韧匹配往往较差，且在低温下的机械性能一般弱于中熵合金。此外，参与元素过多导致的工艺复杂，生产难以实现工业化也是其面对的挑战之一。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于焊接的中熵合金材料及焊接方法，利用中熵合金中的“扩散阻滞”效应，延缓甚至阻止焊接过程中异种材料的扩散，防止各种脆性中间相的形成，提升焊缝机械性能，且具有涉及的元素较少，配制简单，易于实现工业化生产，成本低、环境友好等优点，解决金属材料焊接，尤其是异种金属材料焊接中的焊缝的强度和韧性低的问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种用于焊接的中熵合金材料及焊接方法，解决金属材料焊接，尤其是异种金属材料焊接中的焊缝的强度和韧性低的问题，且具有配置简单、易于实现工业化生产、成本低、环境友好等优点。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于焊接的中熵合金材料，所述中熵合金材料的成分为Cr、Co、Ni，按照以下原子百分比组成，其中Cr为20％～50％，Co为20％～50％，Ni为20％～50％，总的百分比为100％。

进一步地，所述中熵合金材料具有粉体、焊丝、薄片三种形式。

进一步地，所述中熵合金材料为所述粉体形式时，为10～200μm的粉末态，成分配方为Cr含量20％～50％，Co含量20％～50％，Ni含量20％～50％。

进一步地，所述中熵合金材料为所述焊丝形式时，为直径0.5～5mm的丝状，成分配方为Cr含量20％～50％，Co含量20％～50％，Ni含量20％～50％。

进一步地，所述中熵合金材料为所述薄片形式时，为厚度0.1～5mm的片状，成分配方为Cr含量20％～50％，Co含量20％～50％，Ni含量20％～50％。

本发明还提供了一种使用所述用于焊接的中熵合金材料的焊接方法，在焊接过程中，在金属焊接过程中，将所述中熵合金材料用于焊接；所述中熵合金材料的形式为粉体、焊丝、薄片中的任意一种；所述金属属于同种金属或异种金属。

进一步地，所述焊接方法包括以下步骤：

步骤A1、将需要焊接的金属母材的焊接处进行预处理：将油污、生锈和杂质、灰尘处理掉，并打磨至光滑；

步骤A2、搭建焊接系统，所述焊接系统至少包括焊接热源；

步骤A3、进行焊接，将所述中熵合金送入熔池，使其与焊接处熔化并结合；

步骤A4、冷却后进行打磨、抛光。

进一步地，所述中熵合金材料呈粉体或焊丝形式时，通过将需要焊接的金属母材进行开V形坡口处理，作为所述焊接处；在所述步骤A2中，所述焊接系统还包括送料装置；在所述步骤A3中，通过所述送料装置将所述中熵合金材料送入熔池。

进一步地，所述中熵合金材料呈薄片形式时，所述焊接处为所述金属母材之间的对接面；在所述步骤A2中，所述焊接系统仅包括焊接热源，并将所述中熵合金材料夹装在所述对接面中；在焊接时，所述中熵合金材料在所述热源的作用下与所述焊接处熔化并结合。

进一步地，所述热源为激光器。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

(1)利用中熵合金中的“扩散阻滞”效应，延缓甚至阻止了焊接过程中异种材料的扩散，防止了各种脆性中间相的形成，极大提升了焊缝机械性能；

(2)涉及的元素较少，配制简单，易于实现工业化生产；

(3)成本低、环境友好。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的采用粉体形式的CrCoNi中熵合金进行焊接的示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例采用的粉体形式的CrCoNi中熵合金的扫描电镜照片；

图3是本发明的另一个较佳实施例的采用焊丝形式的CrCoNi中熵合金进行焊接的示意图；

图4是本发明的另一个较佳实施例的采用薄片形式的CrCoNi中熵合金进行焊接的示意图；

图5是本发明的较佳实施例制备的CrCoNi中熵合金的XRD衍射图谱。

其中，1-母材材料A，2-母材材料B，3-激光器，4-送粉系统，5-送丝系统，6-粉体形式中熵合金材料，7-焊丝形式中熵合金材料，8-薄片形式中熵合金材料。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明将中熵合金材料用于金属材料焊接，尤其适用于异种金属材料的焊接。中熵合金材料的成分包括Cr、Co、Ni，其中，Cr、Co、Ni所占的百分比均为20％～50％，且Cr、Co、Ni的比例之和为100％。在焊接时，中熵合金材料的形式可以为粉体、焊丝、薄片等任意一种形式。本发明利用中熵合金中“扩散阻滞”效应，延缓甚至阻止了焊接过程中异种材料的扩散，防止了各种脆性中间相的形成，极大地提升了焊缝的机械性能。将本发明的中熵合金材料用于金属焊接，焊接方法如下：

步骤1：对需要焊接的金属母材的焊接处进行预处理：去除油污、锈迹、杂质、灰尘后，再打磨光滑。

当中熵合金材料的形式不同，焊接处的形状也有所不同：当中熵合金材料为粉体或焊丝形式时，对金属母材进行开V形坡口处理，作为焊接处；当中熵合金材料为薄片形状时，将待焊接的金属母材的对接面作为焊接处，两对接面应平行或近平行。

步骤2：搭建焊接系统，包括选择焊接热源以及送料装置。

如果中熵合金材料为粉体或焊丝形式时，送料装置用于将中熵合金材料送入熔池，且送料装置与焊机热源并联连接；如果中熵合金材料为薄片形式时，不需要送料装置，不过需要在焊接前将呈薄片形式的中熵合金材料夹装在金属母材的对接面中。

目前的焊接热源，如电弧、激光等均可使用。如果为了进行自动焊接，还可使用机器人搭载焊接热源，完成自动焊接。

步骤3：进行焊接，将中熵合金材料送入熔池，使其与焊接处熔化结合。

如果中熵合金材料为粉状或焊丝形式时，通过送料装置将中熵材料送入熔池；如果中熵合金材料为薄片形式时，由于呈薄片状的中熵合金材料已经被夹装在对接面中了，无需再次送料，只要使用热源直接进行焊接即可。

步骤4：焊接完成后，待冷却后，对焊缝进行打磨抛光处理。

实施例1

本实施例采用粒径为10～200μm的粉体形式的中熵合金材料，成分配方为Cr50％，Co30％，Ni20％，进行不锈钢-钛之间的焊接，焊接系统的结构示意图如图1所示，步骤如下：

(1)将本实施例中的需要焊接的金属材料母材在母材材料A1和母材材料B2之间开V形坡口处理，顶角为60°；

(2)清理本坡口至无油污、生锈和杂质、灰尘的洁净状态，并打磨坡口至光滑；

(3)在氩气保护下采用工业机器人搭载激光器3，并联送粉系统4，将本实施例中的烘干后的粉体形式中熵合金材料6填入送粉系统4中；

(4)按扫描速度800mm/s，激光功率3000W，激光光斑直径2mm的激光参数，以给定路径扫描坡口处的焊缝；同时通过送粉系统4将粉体形式中熵合金材料6送入坡口处，使粉体形式中熵合金材料6与坡口熔化并结合；

(5)待冷却后打磨、抛光至满足需求。

实施例2

本实施例采用粒径为10～200μm的粉体形式的中熵合金材料，成分配方为Cr33％，Co33％，Ni34％，进行不锈钢-铝之间的焊接，焊接方式示意图如图1所示，步骤如下：

(1)将本实施例中的需要焊接的金属材料母材在母材材料A1和母材材料B2之间开V形坡口处理，顶角为60°；

(2)清理坡口至无油污、生锈和杂质、灰尘的洁净状态，并打磨坡口至光滑；

(3)在氩气保护下采用工业机器人搭载激光器3，并联送粉系统4，将本实施例中的烘干后的粉体形式中熵合金材料6填入送粉系统4中；

(4)按扫描速度1200mm/s，激光功率1500W，激光光斑直径2mm的激光参数，以给定路径扫描坡口处的焊缝；同时通过送粉系统4将粉体形式中熵合金材料6送入坡口处，使粉体形式中熵合金材料6与坡口熔化并结合；

(5)待冷却后打磨、抛光至满足需求。

实施例1和实施例2中采用的粉体形式的中熵合金材料的扫描电镜照片均如图2所示，粉体形式的中熵合金材料为粒径为10～200μm的球形粉末。

实施例3

本实施例采用直径为1.5mm的焊丝形式的中熵合金材料，成分配方为Cr30％，Co20％，Ni50％，进行不锈钢-钛之间的焊接，焊接方式示意图如图3所示，步骤如下：

(1)将本实施例中的需要焊接的金属材料母材在母材材料A1和母材材料B2之间开V形坡口处理，顶角为60°；

(2)清理坡口至无油污、生锈和杂质、灰尘的洁净状态，并打磨坡口至光滑；

(3)在氩气保护下采用工业机器人搭载激光器3，并联送丝系统5，将本实施例中的焊丝形式中熵合金材料7填入送丝系统5中；

(4)按扫描速度800mm/s，激光功率3000W，激光光斑直径2mm的激光参数，以给定路径扫描坡口处的焊缝；同时通过送丝系统5将焊丝形式中熵合金材料7送入坡口处，使焊丝形式中熵合金材料7与坡口熔化并结合；

(5)待冷却后打磨、抛光至满足需求。

实施例4

本实施例采用直径为1.5mm的焊丝形式的中熵合金材料，成分配方为Cr30％，Co20％，Ni50％，进行不锈钢-铝之间的焊接，焊接方式示意图如图3所示，步骤如下：

(1)将本实施例中的需要焊接的金属材料母材在母材材料A1和母材材料B2之间开V形坡口处理，顶角为60°；

(2)清理坡口至无油污、生锈和杂质、灰尘的洁净状态，并打磨坡口至光滑；

(3)在氩气保护下采用工业机器人搭载激光器3，并联送丝系统5，将本实施例中的焊丝形式中熵合金材料7填入送丝系统5中；

(4)按扫描速度1200mm/s，激光功率1500W，激光光斑直径2mm的激光参数，以给定路径扫描坡口处的焊缝；同时通过送丝系统5将所述焊丝形式中熵合金材料7送入坡口处，使焊丝形式中熵合金材料7与坡口熔化并结合；

(5)待冷却后打磨、抛光至满足需求。

实施例5

本实施例采用厚度为0.2mm的焊丝形式的中熵合金材料，成分配方为Cr20％，Co50％，Ni30％，进行不锈钢-钛之间的焊接，焊接方式示意图如图4所示，步骤如下：

(1)将本实施例中的需要焊接的金属材料母材在母材材料A1和母材材料B2之间的对接面清理至无油污、生锈和杂质、灰尘的洁净状态，并打磨对接面至光滑；

(2)利用母材将本实施例中的薄片形式的中熵合金材料8夹装在对接面之间；

(3)在氩气保护下采用工业机器人搭载激光器3，按扫描速度800mm/s，激光功率3000W，激光光斑直径2mm的激光参数，以给定路径扫描对接面处的焊缝，使薄片形式中熵合金材料8与对接面熔化并紧密结合；

(4)待冷却后打磨、抛光至满足需求。

实施例6

本实施例采用厚度为0.2mm的焊丝形式的中熵合金材料，成分配方为Cr20％，Co50％，Ni30％，进行不锈钢-铝之间的焊接，焊接方式示意图如图4所示，步骤如下：

(1)将本实施例中的需要焊接的金属材料母材在母材材料A1和母材材料B2之间的对接面清理至无油污、生锈和杂质、灰尘的洁净状态，并打磨对接面至光滑；

(2)利用母材将本实施例中的薄片形式的中熵合金材料8夹装在对接面之间；

(3)在氩气保护下采用工业机器人搭载激光器3，按扫描速度1200mm/s，激光功率1500W，激光光斑直径2mm的激光参数，以给定路径扫描对接面处的焊缝，使薄片形式中熵合金材料8与对接面熔化并紧密结合；

(4)待冷却后打磨、抛光至满足需求。

上述实施例中采用的CrCoNi中熵合金材料的XRD衍射图谱均如图5所示，CrCoNi中熵合金材料始终保持单一的面心立方晶体结构。

上述发明实例与现有技术相比，针对金属材料焊接，尤其是异种金属材料焊接中的焊缝的强度和韧性低的问题，是一种配置简单、易于实现工业化生产、成本低、环境友好的焊接合金材料及焊接方法。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于焊接的中熵合金材料的焊接方法，其特征在于，所述中熵合金材料的成分为Cr、Co、Ni，按照以下原子百分比组成，其中Cr为20％～50％，Co为20％～50％，Ni为20％～50％，总的百分比为100％；所述中熵合金材料为单一的面心立方晶体结构；

所述中熵合金材料具有粉体、焊丝、薄片三种形式；

所述中熵合金材料为所述粉体形式时，为10～200μm的粉末态；

所述中熵合金材料为所述焊丝形式时，为直径0.5～5mm的丝状；

所述中熵合金材料为所述薄片形式时，为厚度0.1～5mm的片状；

在金属焊接过程中，将所述中熵合金材料用于焊接；所述中熵合金材料的形式为粉体、焊丝、薄片中的任意一种；所述金属属于同种金属或异种金属。

2.如权利要求1所述的用于焊接的中熵合金材料的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A1、将需要焊接的金属母材的焊接处进行预处理：将油污、生锈和杂质、灰尘处理掉，并打磨至光滑；

步骤A2、搭建焊接系统，所述焊接系统至少包括焊接热源；

步骤A3、进行焊接，将所述中熵合金送入熔池，使其与焊接处熔化并结合；

步骤A4、冷却后进行打磨、抛光。

3.如权利要求2所述的用于焊接的中熵合金材料的焊接方法，其特征在于，所述中熵合金材料呈粉体或焊丝形式时，通过将需要焊接的金属母材进行开V形坡口处理，作为所述焊接处；在所述步骤A2中，所述焊接系统还包括送料装置；在所述步骤A3中，通过所述送料装置将所述中熵合金材料送入熔池。

4.如权利要求2所述的用于焊接的中熵合金材料的焊接方法，其特征在于，所述中熵合金材料呈薄片形式时，所述焊接处为所述金属母材之间的对接面；在所述步骤A2中，所述焊接系统仅包括焊接热源，并将所述中熵合金材料夹装在所述对接面中；在焊接时，所述中熵合金材料在所述热源的作用下与所述焊接处熔化并结合。

5.如权利要求2-4任一项所述的用于焊接的中熵合金材料的焊接方法，其特征在于，所述热源为激光器。

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