CN110860784A - 一种制备大块高熵合金的搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备大块高熵合金的搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：步骤1，选取AlxCoCrFeNi高熵合金的初始板材；步骤2，将铝板预置于用于形成大块高熵合金的待连接的两块初始板材中间；步骤3，搅拌头的选择；步骤4，将两块初始板材以搭接或对接的形式组装；步骤5，启动机床进行搅拌摩擦焊加工，按照设定轨迹实施焊接；步骤6，随着焊接的进行，中间层铝板在搅拌头的机械搅拌及摩擦热的共同作用下，与焊接区初始板材发生充分混合，形成大块优质高熵合金。多种强化因素共同作用，能够获得性能优异的焊接接头；而且焊接热作用还能够显著改善焊接区外侧高熵合金元素的发生热扩散，促进焊接区元素的进一步均匀化，更进一步提升所制备大块高熵合金的整体力学性能。

Description

一种制备大块高熵合金的搅拌摩擦焊接方法
技术领域
本发明属于高熵合金搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及一种制备大块高熵合金的搅拌摩擦焊接方法。
背景技术
高熵合金作为一种新型的多主元合金，具有优于传统合金的力学性能，同时还具有传统合金所不具备的功能特性。高熵合金优秀的综合性能使其有望在航空航天、军事、原子能、机械加工、船舶制造等领域得到广泛应用。
常规的高熵合金制备方式有两种，一种是通过铸造的方式制备高熵合金，另一种是通过粉末冶金的方式制备高熵合金。这两种方式在制备大块高熵合金时都不可避免地会出现成分偏析，导致高熵合金的性能下降。为了减少在制备大块高熵合金时出现的缺陷，人们提出利用焊接的方式制备大块高熵合金。
传统的制备大块高熵合金的焊接方法有：电弧焊、激光焊、电子束焊。这些方法在焊接高熵合金时，都容易在焊缝和熔合区产生粗大的晶粒，导致接头的力学性能下降，进而严重影响制备的大块高熵合金的力学性能。基于传统焊接的缺点，本专利提出利用搅拌摩擦焊制备大块高熵合金的方法。
搅拌摩擦焊接技术是一种高质量的固相焊接技术，其在焊核区产生的剧烈的热力作用，能使焊核区的晶粒发生显著的细化，从而提升高熵合金接头的力学性能。如Zhu在Materials Letters 205(2017):142-144中提到的利用的搅拌摩擦焊焊接Al0.3CoCrFeNi高熵合金，经测试分析发现焊核区的晶粒发生了明显的细化，接头的硬度较母材提升40HV左右，最薄弱的热影响区也与母材力学性能相当。
而在Jo等人对CoCrFeMnNi系高熵合金的搅拌摩擦焊研究中，也发现了和Zhu的研究结果相同的特点：显著细化的晶粒使接头硬度较母材提升近70HV。
在上述结果中，细晶强化起到主导的作用。但实际上，高熵合金中还存在其他重要的强化机制和细晶强化一同决定着高熵合金的力学性能。在含铝高熵合金，如AlxCoCrFeNi中，其力学性能受晶格中铝含量的影响非常明显。当铝含量较低时，虽然具有较好的韧性，但强度也较低。一般而言，随着铝含量的增大，高熵合金的晶体结构将发生改变，从而导致其强度和硬度有所提高。
发明内容
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种制备大块高熵合金的搅拌摩擦焊接方法，用于制备成大块优质高熵合金，尤其适用于含铝高熵合金的制备。
一种制备大块高熵合金的搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：
步骤1，选用AlxCoCrFeNi高熵合金为初始板材，用于通过搅拌摩擦焊接方法制备大块高熵合金；当焊接形式为搭接时，两块初始板材的搭接处放置有中间层铝板，且中间层铝板的上表面与位于上方的初始板材的下表面对应，中间层铝板的下表面与位于下方的初始板材的上表面对应；当焊接形式为对接时，两块初始板材的对接处放置有中间层铝板，且中间层铝板的一侧端面与其中一个初始板材的端面对应，中间层铝板的另一侧端面与两一个初始板材的端面对应；
步骤2，选用纯度最低为99.6％的铝板预置于用于形成大块高熵合金的待连接的两块初始板材中间，当焊接形式为搭接时，该中间层铝板的长度和宽度所确定的表面积不小于待焊接区的初始板材的表面积；当焊接形式为对接时，中间层铝板的长度不小于焊缝长度；
步骤3，搅拌头的选择，选用的搅拌头参数，轴肩直径为3-30mm；当以搭接焊接形式制备大块高熵合金时，搅拌针长度大于上搭接板和中间层铝板的厚度之和，但小于上搭接板、中间层铝板和下搭接板的厚度之和；当以对接形式制备大块高熵合金时，搅拌针长度与初始板材的最小厚度差值不小于-0.3mm；搅拌针直径d为1-10mm；
步骤4，将两块初始板材以搭接或对接的形式组装，并将中间层铝板放置于两块初始板材之间，使得中间层铝板与两块初始板材接触面的间隙不大于0.1mm；采用焊接工装将两块初始板材及中间层铝板一同固定在机床工作台上；
步骤5，启动机床，使搅拌头移动至起始焊接位置并以100-10000rpm旋转速度扎入初始板材，待搅拌头轴肩扎入位于上方的初始板材上表面0.1-0.3mm深度时，搅拌头以1-1000mm/min的行进速度移动，按照设定轨迹实施焊接；
步骤6，随着焊接的进行，中间层铝板在搅拌头的机械搅拌及摩擦热的共同作用下，与焊接区初始板材发生充分混合，并由此在焊缝产生了显著的强化效果，获得具有优异性能的搅拌摩擦焊缝，实现了初始高熵合金的高质量连接，形成大块优质高熵合金。
步骤1所述的当采用焊接形式为搭接时，两块初始板材的搭接厚度为1-5mm；当采用焊接形式为对接时，两块初始板材的厚度为1-10mm，且两块初始板材的厚度差不大于0.5mm。
步骤2所述的当焊接形式为搭接时，铝板厚度为0.1-2mm；当焊接形式为对接时，中间层铝板的厚度为0.1-5mm，高度与初始板材最小厚度的差值不小于-0.2mm。
本发明的有益效果是：
本专利结合高熵合金和搅拌摩擦焊接技术的原理，提出采用预置铝中间层制备大块AlxCoCrFeNi高熵合金的搅拌摩擦焊接方法。由于搅拌摩擦焊过程中材料不发生熔化，是一个固态相变的过程，并且将引起搅拌区内材料发生动态再结晶而发生组织细化，同时大塑性变形又会导致位错增值，因而通过相变强化、细晶强化、位错强化等强化机制，这种方法可望有效制备性能优异的大块高熵合金，从而显著促进高熵合金的高质量应用。
多种强化因素共同作用，能够获得性能优异的焊接接头；不仅如此，焊接热作用还能够显著改善焊接区外侧高熵合金元素的发生热扩散，促进焊接区元素的进一步均匀化，更进一步提升所制备大块高熵合金的整体力学性能，使接头强度和硬度进一步提升，同时塑性和韧性保持不变，从而获得综合力学性能更加优良的大块高熵合金。
附图说明
图1为本发明制备大块高熵合金的搅拌摩擦焊接方法的初始板材搭接形式示意图；
图2为初始板材搭接形式的焊核区显微形貌；
图3为初始板材搭接形式的母材显微形貌；
1-初始板材，2-中间层铝板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
选取加工参数：搅拌头的倾角为2°、搅拌头轴肩的下压量为0.2mm。
一种制备大块高熵合金的搅拌摩擦焊接方法，如图1至图3所示，包括以下步骤：
步骤1，选用粉末冶金Al0.1CoCrFeNi高熵合金为初始板材1，用于通过搅拌摩擦焊接方法制备大块高熵合金；选用搭接的焊接形式进行焊接，两块初始板材的搭接处放置有中间层铝板，且中间层铝板的上表面与位于上方的初始板材的下表面贴合，中间层铝板的下表面与位于下方的初始板材的上表面贴合，两块初始板材1的厚度均为2mm；
步骤2，选用纯度为99.6％的1060铝板预置于用于形成大块高熵合金的待连接的两块初始板材1中间，中间层铝板2的厚度为2mm；
步骤3，搅拌头的选择，选用的搅拌头参数，轴肩直径为24mm；当以搭接形式制备大块高熵合金时，搅拌针长度为2.84mm；搅拌针直径d为1mm；
步骤4，将两块初始板材1以搭接的形式组装，并将中间层铝板2放置于两块初始板材1之间，使得中间层铝板2与两块初始板材1接触面的间隙为0.05mm；采用焊接工装将两块初始板材1及中间层铝板2一同固定在机床工作台上；
步骤5，启动机床，使搅拌头移动至起始焊接位置，以800rpm旋转速度扎入初始板材1，待搅拌头轴肩扎入初始板材1上表面0.2mm深度时，搅拌头以50mm/min的行进速度移动，按照设定轨迹实施焊接；
步骤6，随着焊接的进行，中间层铝板2在搅拌头的机械搅拌及摩擦热的共同作用下，与焊接区初始板材1发生充分混合，并由此在焊缝产生了显著的强化效果，获得具有优异性能的搅拌摩擦焊缝，实现了初始高熵合金的高质量连接，形成大块优质高熵合金。
性能检测
处理后产生的强化层强化层的平均硬度为：393.9HV，最低硬度为：191.4HV最高硬度为：515.2HV。相比于母材，平均硬度提升492％。焊接接头无裂纹、孔洞等缺陷且组织均匀。采用EDS进行元素分布扫描可见元素均匀分布。采用XRD进行相结构测试可见产生多种强化相。
实施例2
选取加工参数：搅拌头的倾角为2°、搅拌头轴肩的下压量为0.2mm。
一种制备大块高熵合金的搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：
步骤1，选用粉末冶金Al0.1CoCrFeNi高熵合金为初始板材1，用于通过搅拌摩擦焊接方法制备大块高熵合金；以搭接的焊接形式进行焊接，两块初始板材的搭接处放置有中间层铝板，且中间层铝板的上表面与位于上方的初始板材的下表面贴合，中间层铝板的下表面与位于下方的初始板材的上表面贴合，两块初始板材1的搭接厚度为2mm；
步骤2，选用纯度为99.6％的1060铝板预置于用于形成大块高熵合金的待连接的两块初始板材1中间，该中间层铝板2的厚度为2mm；
步骤3，搅拌头的选择，选用的搅拌头参数，搅拌头轴肩直径为24mm；搅拌针长度为2.84mm，搅拌针直径d为1mm；
步骤4，将两块初始板材1以搭接的形式组装，并将中间层铝板2放置于两块初始板材1之间，使得中间层铝板2与两块初始板材1接触面的间隙为0.05mm；采用焊接工装将两块初始板材1及中间层铝板2一同固定在机床工作台上；
步骤5，启动机床，使搅拌头移动至起始焊接位置并以800rpm旋转速度扎入初始板材1，待搅拌头轴肩扎入初始板材1上表面0.2mm深度时，搅拌头以25mm/min的行进速度移动，按照设定轨迹实施焊接；
步骤6，随着焊接的进行，中间层铝板2在搅拌头的机械搅拌及摩擦热的共同作用下，与焊接区初始板材1发生充分混合，并由此在焊缝产生了显著的强化效果，获得具有优异性能的搅拌摩擦焊缝，实现了初始高熵合金的高质量连接，形成大块优质高熵合金。
性能检测
处理后产生的强化层强化层的平均硬度为：415.8HV，最低硬度为：284.3HV最高硬度为：592.2HV。相比于母材，平均硬度提升519％。焊接接头无裂纹、孔洞等缺陷且组织均匀。采用EDS进行元素分布扫描可见元素均匀分布。采用XRD进行相结构测试可见产生多种强化相。

Claims (3)

1.一种制备大块高熵合金的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选用AlxCoCrFeNi高熵合金为初始板材，用于通过搅拌摩擦焊接方法制备大块高熵合金；当焊接形式为搭接时，两块初始板材的搭接处放置有中间层铝板，且中间层铝板的上表面与位于上方的初始板材的下表面对应，中间层铝板的下表面与位于下方的初始板材的上表面对应；当焊接形式为对接时，两块初始板材的对接处放置有中间层铝板，且中间层铝板的一侧端面与其中一个初始板材的端面对应，中间层铝板的另一侧端面与两一个初始板材的端面对应；
步骤2，选用纯度最低为99.6％的铝板预置于用于形成大块高熵合金的待连接的两块初始板材中间，当焊接形式为搭接时，该中间层铝板的长度和宽度所确定的表面积不小于待焊接区的初始板材的表面积；当焊接形式为对接时，中间层铝板的长度不小于焊缝长度；
步骤3，搅拌头的选择，选用的搅拌头参数，轴肩直径为3-30mm；当以搭接焊接形式制备大块高熵合金时，搅拌针长度大于上搭接板和中间层铝板的厚度之和，但小于上搭接板、中间层铝板和下搭接板的厚度之和；当以对接形式制备大块高熵合金时，搅拌针长度与初始板材的最小厚度差值不小于-0.3mm；搅拌针直径d为1-10mm；
步骤4，将两块初始板材以搭接或对接的形式组装，并将中间层铝板放置于两块初始板材之间，使得中间层铝板与两块初始板材接触面的间隙不大于0.1mm；采用焊接工装将两块初始板材及中间层铝板一同固定在机床工作台上；
步骤5，启动机床，使搅拌头移动至起始焊接位置并以100-10000rpm旋转速度扎入初始板材，待搅拌头轴肩扎入位于上方的初始板材上表面0.1-0.3mm深度时，搅拌头以1-1000mm/min的行进速度移动，按照设定轨迹实施焊接；
步骤6，随着焊接的进行，中间层铝板在搅拌头的机械搅拌及摩擦热的共同作用下，与焊接区初始板材发生充分混合，并由此在焊缝产生了显著的强化效果，获得具有优异性能的搅拌摩擦焊缝，形成大块优质高熵合金。
2.根据权利要求1所述的一种制备大块高熵合金的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤1所述的当采用焊接形式为搭接时，两块初始板材的搭接厚度为1-5mm；当采用焊接形式为对接时，两块初始板材的厚度为1-10mm，且两块初始板材的厚度差不大于0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种制备大块高熵合金的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤2所述的当焊接形式为搭接时，铝板厚度为0.1-2mm；当焊接形式为对接时，中间层铝板的厚度为0.1-5mm，高度与初始板材最小厚度的差值不小于-0.2mm。
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