CN111112875A - 一种含TiB2颗粒的铝合金焊丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含TiB2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：1.1‑3.1％，Mg：4.1‑4.9％，Cu：1.3‑1.7％，Zr：0.02‑0.3％，Cr：0.03‑0.3％，Fe：0.01‑0.4％，Si：0.01‑0.3％，Mn：0.01‑0.4％，TiB2陶瓷颗粒≤6％，余量为Al；其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为11微米‑30微米。

Description

一种含TiB2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TiB2颗粒的铝合金焊丝及其制备方法。
背景技术
铝合金因其具有低密度、良好的导电性、高塑性、易加工等诸多优良性能，所以在航空航天、电子、汽车和交通等领域具有广泛的应用。可以说铝材是有色金属材料中使用量最大、应用面最广的材料。在各种铝合金中，7XXX 系铝合金由于其强度在铝合金中最高，因此也被称为高强度铝合金或超硬铝合金。7XXX系高强铝合金作为一种高性能材料，具有高的比强度、比刚度、较好的抗应力腐蚀性、较高的断裂韧性和优良加工性能等优点，被广泛地应用于航空航天、兵器装备和交通运输等领域，特别是在航空航天领域中占有非常重要的地位，是该领域最重要的结构材料之一。
在目前已有的铝合金焊丝中，纯铝焊丝虽然具有良好的导电性和导热性，但是其强度比较低，焊丝在机械抛光过程中很容易出现划痕；对于Al-Si合金焊丝来说，虽然其铸造性能比较好，制丝过程比较容易，但同样其强度也不高，很难满足一些对性能要求比较高的领域的生产需求；常用的Al-Mg系焊丝，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；对于Al-Cu合金焊丝来说，虽然其强度比较高，但是它有热裂倾向；7XXX系高强铝合金虽然具有高比强度，但是它的焊接性能比较差。所以需要研制一种能够满足高比强度、高比刚度的要求，同时能解决 7XXX系铝合金焊接易开裂问题的新型焊丝。
与传统铝合金相比，铝基复合材料通常具有高比强度、比刚度、低的热膨胀系数和优良的高温力学性能和耐磨性，在领域具有十分广阔的应用前景。其中，TiB2颗粒增强铝基复合材料具有较高的硬度、熔点和弹性模量，而且它的热膨胀系数较小。此外，TiB2颗粒增强铝基复合材料具有优良的化学稳定性和抗腐蚀性能，TiB2颗粒增强相和铝基体界面稳定，不会发生化学反应，成为铝基复合材料的重要发展方向之一。
因此，亟待开发一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝，不仅能提高焊缝强度和热稳定性，还可以解决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提高焊缝强度和热稳定性的含陶瓷颗粒的含TiB2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TiB2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：1.1-3.1％，Mg：4.1-4.9％，Cu：1.3-1.7％，Zr：0.02-0.3％， Cr：0.03-0.3％，Fe：0.01-0.4％，Si：0.01-0.3％，Mn：0.01-0.4％，TiB2陶瓷颗粒≤6％，余量为Al；其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为11微米-30微米。
在本发明的一个优选实施例中，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为1.1％，Mg为4.1％，Cu为1.3％，Zr为0.2％，Cr为0.15％，Fe为0.3％， Si为0.2％，Mn为0.4％，TiB2陶瓷颗粒为5％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为11微米-13微米。
在本发明的一个优选实施例中，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为3.1％，Mg为4.9％，Cu为1.7％，Zr为0.15％，Cr为0.1％，Fe为0.2％， Si为0.15％，Mn为0.15％，TiB2陶瓷颗粒为4％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为14微米-16微米。
在本发明的一个优选实施例中，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：1.3-2.9％，Mg：4.2-4.7％，Cu：1.4-1.6％，Zr：0.02-0.3％，Cr： 0.03-0.3％，Fe：0.01-0.4％，Si：0.01-0.3％，Mn：0.01-0.4％，TiB2陶瓷颗粒≤3％，余量为Al。
在本发明的一个优选实施例中，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为1.6％，Mg为4.7％，Cu为1.4％，Zr为0.15％，Cr为0.1％，Fe为0.2％， Si为0.15％，Mn为0.15％，TiB2陶瓷颗粒为3％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为17微米-20微米。
在本发明的一个优选实施例中，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：1.9-2.2％，Mg：4.3-4.5％，Cu：1.4-1.5％，Zr：0.02-0.3％，Cr：0.03-0.3％，Fe：0.01-0.4％，Si：0.01-0.3％，Mn：0.01-0.4％，TiB2陶瓷颗粒≤1％，余量为Al。
在本发明的一个优选实施例中，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为2.0％，Mg为4.5％，Cu为1.5％，Zr为0.15％，Cr为0.03，Fe为0.03， Si为0.02，Mn为0.04，TiB2陶瓷颗粒为1％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为21微米-30微米。
本发明还公开了一种含TiB2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
将纯铝熔融后加入覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，将均匀混合的匀混合的KBF4、K2TiF6粉末烘干后加入熔炼所得的熔体中搅拌，反应结束扒渣后加入其他含有元素的化合物，然后添加精炼剂精炼，并进行真空除气，得到含陶瓷颗粒的铝合金金属液；
S2：超声波电磁半连续铸造
将步骤S1所得的金属液搅拌均匀，在氩气环境下，进行超声波电磁半连续铸造，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；
S4：挤压
将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为16-19；
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中超声处理方式采用顶部导入法,超声波变幅杆插入熔体深度为20mm-30mm处，超声波的功率为200W-250W，电磁场频率为15Hz-27Hz，铸造速度为0.7-2.4mm/s，铸造温度为670-750度。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤S3均匀化退火温度为476-485 度。
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)采用超声波电磁半连续铸造工艺制备焊丝铸锭，可实现颗粒在组织中的均匀分布，细化晶粒，在细化第二相的同时不增加新相。另外，使用该工艺还能够改善铸锭内部的偏析，提高了Zn、Mg元素的固溶度，降低内应力，提高铸锭的成品率。
3)采用高温拉拔，能显著提升焊丝的成型质量，提高电弧焊接的稳定性。
4)补充了铝合金焊丝库，提供了一种新型复合材料焊丝。对某些需要 Al-Mg、Al-Cu二元合金焊丝焊接的过程，使用该型号的焊丝可能就可以满足焊接需求，简化了成形过程，节省了设备的成本。
5)本发明TiB2陶瓷颗粒占焊丝总重量百分比≤1％，有效的提高了焊丝的综合性能，若TiB2陶瓷颗粒超过焊丝总重量百分比的6％，会导致焊丝材料，气孔、酥松、焊缝性能差等缺点。
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TiB2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1.1％，Mg为4.1％，Cu为1.3％，Zr为0.2％，Cr为0.15％，Fe为0.3％，Si 为0.2％，Mn为0.4％，TiB2陶瓷颗粒为5％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为11微米-13微米。
实施例2
一种含TiB2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3.1％，Mg为4.9％，Cu为1.7％，Zr为0.15％，Cr为0.1％，Fe为0.2％，Si 为0.15％，Mn为0.15％，TiB2陶瓷颗粒为4％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为14微米-16微米。
实施例3
一种含TiB2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1.6％，Mg为4.7％，Cu为1.4％，Zr为0.15％，Cr为0.1％，Fe为0.2％，Si 为0.15％，Mn为0.15％，TiB2陶瓷颗粒为3％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为17微米-20微米。
实施例4
一种含TiB2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2.0％，Mg为4.5％，Cu为1.5％，Zr为0.15％，Cr为0.03，Fe为0.03，Si 为0.02，Mn为0.04，TiB2陶瓷颗粒为1％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为21微米-30微米。
实施例1-实施例4的含TiB2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
将纯铝熔融后加入覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，将均匀混合的匀混合的KBF4、K2TiF6粉末烘干后加入熔炼所得的熔体中搅拌，反应结束扒渣后加入其他含有元素的化合物，然后添加精炼剂精炼，并进行真空除气，得到含陶瓷颗粒的铝合金金属液；
S2：超声波电磁半连续铸造
将步骤S1所得的金属液搅拌均匀，在氩气环境下，进行超声波电磁半连续铸造，制得铸锭；超声处理方式采用顶部导入法,超声波变幅杆插入熔体深度为20mm-30mm处，超声波的功率为200W-250W，电磁场频率为15Hz-27Hz，铸造速度为0.7-2.4mm/s，铸造温度为670-750度；
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度；
S4：挤压
将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为16-19；
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1-4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1 450 555 16％
实施例2 471 582 17％
实施例3 501 610 19％
实施例4 493 598 23％
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TiB2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：1.1-3.1％，Mg：4.1-4.9％，Cu：1.3-1.7％，Zr：0.02-0.3％，Cr：0.03-0.3％，Fe：0.01-0.4％，Si：0.01-0.3％，Mn：0.01-0.4％，TiB2陶瓷颗粒≤6％，余量为Al；其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为11微米-30微米。
2.根据权利要求1所述的一种含TiB2颗粒的铝合金焊丝，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为1.1％，Mg为4.1％，Cu为1.3％，Zr为0.2％，Cr为0.15％，Fe为0.3％，Si为0.2％，Mn为0.4％，TiB2陶瓷颗粒为5％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为11微米-13微米。
3.根据权利要求2所述的一种含TiB2颗粒的铝合金焊丝，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为3.1％，Mg为4.9％，Cu为1.7％，Zr为0.15％，Cr为0.1％，Fe为0.2％，Si为0.15％，Mn为0.15％，TiB2陶瓷颗粒为4％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为14微米-16微米。
4.根据权利要求1所述的一种含TiB2颗粒的铝合金焊丝，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：1.3-2.9％，Mg：4.2-4.7％，Cu：1.4-1.6％，Zr：0.02-0.3％，Cr：0.03-0.3％，Fe：0.01-0.4％，Si：0.01-0.3％，Mn：0.01-0.4％，TiB2陶瓷颗粒≤3％，余量为Al。
5.根据权利要求4所述的一种含TiB2颗粒的铝合金焊丝，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为1.6％，Mg为4.7％，Cu为1.4％，Zr为0.15％，Cr为0.1％，Fe为0.2％，Si为0.15％，Mn为0.15％，TiB2陶瓷颗粒为3％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为17微米-20微米。
6.根据权利要求1所述的一种含TiB2颗粒的铝合金焊丝，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：1.9-2.2％，Mg：4.3-4.5％，Cu：1.4-1.5％，Zr：0.02-0.3％，Cr：0.03-0.3％，Fe：0.01-0.4％，Si：0.01-0.3％，Mn：0.01-0.4％，TiB2陶瓷颗粒≤1％，余量为Al。
7.根据权利要求6所述的一种含TiB2颗粒的铝合金焊丝，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为2.0％，Mg为4.5％，Cu为1.5％，Zr为0.15％，Cr为0.03，Fe为0.03，Si为0.02，Mn为0.04，TiB2陶瓷颗粒为1％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为21微米-30微米。
8.一种含TiB2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TiB2颗粒的铝合金焊丝的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1：将纯铝熔融后加入覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，将均匀混合的匀混合的KBF4、K2TiF6粉末烘干后加入熔炼所得的熔体中搅拌，反应结束扒渣后加入其他含有元素的化合物，然后添加精炼剂精炼，并进行真空除气，得到含陶瓷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，进行超声波电磁半连续铸造，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；
S4：将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为16-19；
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。
9.根据权利要求8所述的一种含TiB2颗粒的铝合金焊丝的制备方法，所述步骤S2中超声处理方式采用顶部导入法，超声波变幅杆插入熔体深度为20mm-30mm处，超声波的功率为200W-250W，电磁场频率为15Hz-27Hz，铸造速度为0.7-2.4mm/s，铸造温度为670-750度。
10.根据权利要求8所述的一种含TiB2颗粒的铝合金焊丝的制备方法，所述步骤S3均匀化退火温度为476-485度。
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