CN111112873A - 一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝及其制备方法 - Google Patents

一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝及其制备方法。该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：5.0‑8.4％，Mg：1.9‑2.9％，Cu：1.1‑2.6％，TiC颗粒：0.1‑4％，AlN颗粒：0.1‑2％，余量为Al；其中，TiC颗粒粒径为50纳米‑30微米，AlN颗粒粒径为50纳米‑30微米。本发明还公开了制备该铝合金焊丝的方法。

Description

一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金焊丝技术领域，特别涉及到一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝及其制备方法。
背景技术
铝合金具备高比强度、高比刚度的优点，尤其是7XXX系高强铝合金，可替代钢铁、钛合金，被广泛应用于航空航天、军工国防、轨道交通、造船等领域。
但是，7XXX系高强铝合金焊接性能差，该系列铝合金含有较多的低沸点： Zn和Mg合金元素，在焊接过程中容易烧损，导致焊缝区强化相：MgZn2减少，从而引起焊缝强度降低。另外，该系列铝合金是典型的可时效热处理合金，焊接过程中焊接区域经历高温热循环，热影响区发生过时效和晶粒粗化而严重软化。这些因素会导致焊缝区和热影响区中出现薄弱区域，在接头承载时易发生断裂。采用目前常用的Al-Mg系焊丝时，焊缝极易产生裂纹，且焊缝强度最多只能稳定到300MPa左右，无法满足高比强度、高比刚度的要求。
因此，亟待开发一种铝合金焊丝，提高焊缝强度和热稳定性，解决7XXX 系铝合金焊接易开裂的问题。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明目的提供了一种采用原位自生法引入TiC、AlN混杂颗粒，颗粒具有尺寸细小，在基体均匀分布，与基体界面结合良好等优点，能明显提高材料的强度和模量的含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝及其制备方法。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案来实现的：
一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝，其特征在于，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：5.0-8.4％，Mg：1.9-2.9％，Cu：1.1-2.6％，TiC颗粒：0.1-4％，AlN颗粒：0.1-2％，余量为Al；其中，TiC颗粒粒径为50纳米-30微米，AlN颗粒粒径为50纳米-30微米。
在本发明的一个优选实施例中，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为5.0％，Mg为1.9％，Cu为1.1％，TiC颗粒为4％，AlN颗粒为2％，余量为 Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为50纳米-500纳米。
在本发明的一个优选实施例中，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为8.4％，Mg为2.9％，Cu为2.6％，TiC颗粒为3％，AlN颗粒为1.5％，余量为Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为510纳米-10微米。
在本发明的一个优选实施例中，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：5.4-7.9％，Mg：2.1-2.6％，Cu：1.5-2.3％，TiC颗粒：0.1-3％，AlN 颗粒：0.1-1.5％，余量为Al。
在本发明的一个优选实施例中，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为5.4％，Mg为2.1％，Cu为1.5％，TiC颗粒为2％，AlN颗粒为1％，余量为 Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为11微米-20微米。
在本发明的一个优选实施例中，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为7.9％，Mg为2.6％，Cu为2.3％，TiC颗粒为3％，AlN颗粒为1.5％，余量为Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为500纳米-5微米。
在本发明的一个优选实施例中，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：6-6.3％，Mg：2.1-2.4％，Cu：2.0-2.3％，TiC颗粒：0.1-1％，AlN颗粒：0.1-0.5％，余量为Al。
在本发明的一个优选实施例中，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为6.1％，Mg为2.2％，Cu为2.2％，TiC颗粒为1％，AlN颗粒为0.5％，余量为Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为20微米-30微米。
本发明还公开了一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：原位合成反应
工业纯铝熔化，将Al、Ti、C粉末以质量比1：4-8：1-4均匀混合，采用 N2通过石英管将混合粉末喷入铝熔体中，同时进行机械搅拌，加入Al-Cu中间合金和Mg、Zn，通入惰性气体精炼，扒去浮渣，于660-780℃静置10-40min，其中Al-Cu中间合金中含铜量50％，得到含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金金属液；
S2：半连续铸造
将步骤S1所得的金属液搅拌均匀，在氩气环境下，进行半连续铸造，制得铸锭；
S3：均匀化
将步骤S2所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯，均匀化退火温度为 476-485℃；
S4：挤压
将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为20-30；
S5：拉拔
将步骤S4得到的铝合金线坯进行多道次拉拔，得到不同规格的焊丝；
S6：表面处理
将步骤S5得到的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤S2中铸造温度为690-760℃，铸造速度为130-170mm/min。
与现有技术相比，本发明具有以下几点有益效果：
1)本发明解决了7XXX系铝合金焊接强度低，容易热裂的问题。采用本发明的焊丝焊接7XXX系铝合金，焊缝的热稳定性和焊缝强度可以得到显著提升。
2)采用混杂颗粒，颗粒具有尺寸细小，在基体均匀分布，与基体界面结合良好等优点，能明显提高材料的强度和模量。另外混合颗粒可以改善单一颗粒的不足，使各增强材料的不同性质相互补充产生混杂效应，进一步提高材料性能。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。
实施例1
一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为5.0％，Mg为1.9％，Cu为1.1％，TiC颗粒为4％，AlN颗粒为2％，余量为Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为50纳米-500纳米。
实施例1的含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法具体步骤如下：
S1：原位合成反应
工业纯铝熔化，将Al、Ti、C粉末以质量比1：4-8：1-4均匀混合，采用 N2通过石英管将混合粉末喷入铝熔体中，同时进行机械搅拌，加入Al-Cu中间合金和Mg、Zn，通入惰性气体精炼，扒去浮渣，于660℃静置10min，其中Al-Cu 中间合金中含铜量50％，得到含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金金属液；
S2：半连续铸造
将步骤S1所得的金属液搅拌均匀，在氩气环境下，进行半连续铸造，制得铸锭，铸造温度为690℃，铸造速度为130mm/min；
S3：均匀化
将步骤S2所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯，均匀化退火温度为 476℃；
S4：挤压
将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为20；
S5：拉拔
将步骤S4得到的铝合金线坯进行多道次拉拔，得到不同规格的焊丝；
S6：表面处理
将步骤S5得到的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
实施例2
一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为8.4％，Mg为2.9％，Cu为2.6％，TiC颗粒为3％，AlN颗粒为1.5％，余量为Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为510纳米-10微米。
实施例2的含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法具体步骤如下：
S1：原位合成反应
工业纯铝熔化，将Al、Ti、C粉末以质量比1：4-8：1-4均匀混合，采用 N2通过石英管将混合粉末喷入铝熔体中，同时进行机械搅拌，加入Al-Cu中间合金和Mg、Zn，通入惰性气体精炼，扒去浮渣，于690℃静置18min，其中Al-Cu 中间合金中含铜量50％，得到含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金金属液；
S2：半连续铸造
将步骤S1所得的金属液搅拌均匀，在氩气环境下，进行半连续铸造，制得铸锭，铸造温度为710℃，铸造速度为140mm/min；
S3：均匀化
将步骤S2所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯，均匀化退火温度为 478℃；
S4：挤压
将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为23；
S5：拉拔
将步骤S4得到的铝合金线坯进行多道次拉拔，得到不同规格的焊丝；
S6：表面处理
将步骤S5得到的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
实施例3
一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为5.4％，Mg为2.1％，Cu为1.5％，TiC颗粒为2％，AlN颗粒为1％，余量为Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为11微米-20微米。
实施例3的含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法具体步骤如下：
S1：原位合成反应
工业纯铝熔化，将Al、Ti、C粉末以质量比1：4-8：1-4均匀混合，采用 N2通过石英管将混合粉末喷入铝熔体中，同时进行机械搅拌，加入Al-Cu中间合金和Mg、Zn，通入惰性气体精炼，扒去浮渣，于720℃静置26min，其中Al-Cu 中间合金中含铜量50％，得到含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金金属液；
S2：半连续铸造
将步骤S1所得的金属液搅拌均匀，在氩气环境下，进行半连续铸造，制得铸锭，铸造温度为730℃，铸造速度为150mm/min；
S3：均匀化
将步骤S2所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯，均匀化退火温度为 480℃；
S4：挤压
将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为25；
S5：拉拔
将步骤S4得到的铝合金线坯进行多道次拉拔，得到不同规格的焊丝；
S6：表面处理
将步骤S5得到的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
实施例4
一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为7.9％，Mg为2.6％，Cu为2.3％，TiC颗粒为3％，AlN颗粒为1.5％，余量为Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为500纳米-5微米。
实施例4的含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法具体步骤如下：
S1：原位合成反应
工业纯铝熔化，将Al、Ti、C粉末以质量比1：4-8：1-4均匀混合，采用 N2通过石英管将混合粉末喷入铝熔体中，同时进行机械搅拌，加入Al-Cu中间合金和Mg、Zn，通入惰性气体精炼，扒去浮渣，于750℃静置32min，其中Al-Cu 中间合金中含铜量50％，得到含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金金属液；
S2：半连续铸造
将步骤S1所得的金属液搅拌均匀，在氩气环境下，进行半连续铸造，制得铸锭，铸造温度为750℃，铸造速度为160mm/min；
S3：均匀化
将步骤S2所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯，均匀化退火温度为 482℃；
S4：挤压
将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为28；
S5：拉拔
将步骤S4得到的铝合金线坯进行多道次拉拔，得到不同规格的焊丝；
S6：表面处理
将步骤S5得到的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
实施例5
一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为6.1％，Mg为2.2％，Cu为2.2％，TiC颗粒为1％，AlN颗粒为0.5％，余量为Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为20微米-30微米。
实施例5的含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法具体步骤如下：
S1：原位合成反应
工业纯铝熔化，将Al、Ti、C粉末以质量比1：4-8：1-4均匀混合，采用 N2通过石英管将混合粉末喷入铝熔体中，同时进行机械搅拌，加入Al-Cu中间合金和Mg、Zn，通入惰性气体精炼，扒去浮渣，于780℃静置40min，其中Al-Cu 中间合金中含铜量50％，得到含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金金属液；
S2：半连续铸造
将步骤S1所得的金属液搅拌均匀，在氩气环境下，进行半连续铸造，制得铸锭，铸造温度为760℃，铸造速度为170mm/min；
S3：均匀化
将步骤S2所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯，均匀化退火温度为 485℃；
S4：挤压
将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为30；
S5：拉拔
将步骤S4得到的铝合金线坯进行多道次拉拔，得到不同规格的焊丝；
S6：表面处理
将步骤S5得到的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
性能测试结果
使用本实施例1-5制备的含陶铝颗粒的铝合金焊丝进行电弧增材制造，将制造所得试样进行T6热处理后进行拉伸性能测试，试样测试标准采用ASTM E8 金属拉伸试验标准，结果如下表1所示。
屈服强度/MPa 断裂强度/MPa 延伸率
实施例1 475 574 10％
实施例2 492 596 11％
实施例3 525 635 13％
实施例4 551 662 15％
实施例5 589 690 18％
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝，其特征在于，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：5.0-8.4％，Mg：1.9-2.9％，Cu：1.1-2.6％，TiC颗粒：0.1-4％，AlN颗粒：0.1-2％，余量为Al；其中，TiC颗粒粒径为50纳米-30微米，AlN颗粒粒径为50纳米-30微米。
2.根据权利要求1所述的一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝，其特征在于：所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为5.0％，Mg为1.9％，Cu为1.1％，TiC颗粒为4％，AlN颗粒为2％，余量为Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为50纳米-500纳米。
3.根据权利要求1所述的一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝，其特征在于：所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为8.4％，Mg为2.9％，Cu为2.6％，TiC颗粒为3％，AlN颗粒为1.5％，余量为Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为510纳米-10微米。
4.根据权利要求1所述的一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝，其特征在于：所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：5.4-7.9％，Mg：2.1-2.6％，Cu：1.5-2.3％，TiC颗粒：0.1-3％，AlN颗粒：0.1-1.5％，余量为Al。
5.根据权利要求4所述的一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝，其特征在于：所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为5.4％，Mg为2.1％，Cu为1.5％，TiC颗粒为2％，AlN颗粒为1％，余量为Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为11微米-20微米。
6.根据权利要求4所述的一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝，其特征在于：所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为7.9％，Mg为2.6％，Cu为2.3％，TiC颗粒为3％，AlN颗粒为1.5％，余量为Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为500纳米-5微米。
7.根据权利要求1所述的一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝，其特征在于：所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：6-6.3％，Mg：2.1-2.4％，Cu：2.0-2.3％，TiC颗粒：0.1-1％，AlN颗粒：0.1-0.5％，余量为Al。
8.根据权利要求7所述的一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝，其特征在于：所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为6.1％，Mg为2.2％，Cu为2.2％，TiC颗粒为1％，AlN颗粒为0.5％，余量为Al，其中，TiC、AlN颗粒的粒径分别为20微米-30微米。
9.一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1所述的含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1：工业纯铝熔化，将Al、Ti、C粉末以质量比1：4-8：1-4均匀混合，采用N2通过石英管将混合粉末喷入铝熔体中，同时进行机械搅拌，加入Al-Cu中间合金和Mg、Zn，通入惰性气体精炼，扒去浮渣，于660-780℃静置10-40min，其中Al-Cu中间合金中含铜量50％，得到含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金金属液；
S2：将步骤S1所得的金属液搅拌均匀，在氩气环境下，进行半连续铸造，制得铸锭；
S3：将步骤S2所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯，均匀化退火温度为476-485℃；
S4：将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为20-30；
S5：将步骤S4得到的铝合金线坯进行多道次拉拔，得到不同规格的焊丝；
S6：将步骤S5得到的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
10.根据权利要求9所述的一种含TiC、AlN混杂颗粒的铝合金焊丝的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中铸造温度为690-760℃，铸造速度为130-170mm/min。
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