CN111139384A - 一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝及其制备方法。该焊丝为7xxx系铝基复合材料，其重量百分比包含如下元素：6.7‑12wt.％Zn，2.0‑2.8wt.％Mg，2.0‑2.5wt.％Cu，0.1wt.％Si，0.1wt.％Fe，0.1wt.％Sc，增强相TiB2含量为4‑8wt.％，余量为Al。

Description

一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金及其复合材料焊丝技术领域，特别涉及到一种用于高 强7xxx铝合金与复合材料的焊丝及其制备方法。
背景技术
7xxx系铝合金及其复合材料由于其具有较高的比强度，在航空航天、军 工国防、轨道交通和船舶领域有着广泛的应用。现代工业的发展对材料的选 择和结构的设计更是提出了轻量化的要求，这就需要铆接连接的结构件向焊 接连接的结构件转变。7xxx系铝合金及其复合材料之间焊接质量不佳，焊接 性能不好，一直以来都是困扰焊接人员的难题。一般来说，铝合金焊接普遍 有以下几个难点：1)铝合金导热率大，焊接时需要更高的线能量；2)铝和 氧亲和力大，易形成熔点较高的氧化膜；3)铝合金的线膨胀系数大，易发生 焊接变形；4)7xxx系铝合金中Zn、Mg元素熔点较低，易发生挥发；5)7xxx 系铝合金在焊接热循环中，热影响区易发生过时效和晶粒粗化，性能下降。 众多影响因素共同作用下，使得7xxx系铝合金与复合材料之间焊接相当困难。
焊接技术的不断发展，涌现出各种新型的焊接技术(TIG焊、MIG焊、搅 拌摩擦焊等)和工艺，对7xxx系铝合金与复合材料的焊接问题有了一定的改 善，但在焊丝的材料选择方面还是存在着很多的局限性。焊丝的选择对于两 个结构件的焊接有着重要的作用，直接关系着焊接质量与焊接性能。在某些 特定的工作环境下，焊接后的结构件不能再经过变形加工和热处理，只能通 过合适的焊丝选择和焊接工艺来控制焊缝的组织和性能。因此，鉴于7xxx系 铝合金与复合材料的焊接难题和焊丝的重要性，迫切需要一种用于高强7xxx系铝合金与复合材料的焊丝研发。
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原位合成弥散分布 的TiB2颗粒为增强相的复合材料焊丝，其焊丝晶粒细小，组织均匀，电阻率高， 可以有效的解决上述7xxx系铝合金焊接过程中存在的问题，大幅度提高焊接 质量和焊接强度，满足了实际应用中对焊丝性能的综合要求的用于高强7xxx 铝合金与复合材料的焊丝及其制备方法。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案来实现的：
一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝，其特征在于，该焊丝为7xxx 系铝基复合材料，其重量百分比包含如下元素：6.7-12wt.％Zn， 2.0-2.8wt.％Mg，2.0-2.5wt.％Cu，0.1wt.％Si，0.1wt.％Fe，0.1wt.％Sc，增 强相TiB2含量为4-8wt.％，余量为Al。
在本发明的一个优选实施例中，该焊丝为7xxx系铝基复合材料，其重量 百分比包含如下元素：7.5％Zn，2.8％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe，0.1％Sc， TiB2增强相含量为4wt.％，余量为Al。
在本发明的一个优选实施例中，该焊丝为7xxx系铝基复合材料，其重量 百分比包含如下元素：10％Zn，2.8％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe，0.1％Sc， TiB2增强相含量为4wt.％，余量为Al。
在本发明的一个优选实施例中，该焊丝为7xxx系铝基复合材料，其重量 百分比包含如下元素：10％Zn，2.8％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe，0.1％Sc， TiB2增强相含量为8wt.％，余量为Al。
在本发明的一个优选实施例中，该焊丝为7xxx系铝基复合材料，其重量 百分比包含如下元素：7.5％Zn，2.5％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe，0.1％Sc， TiB2增强相含量为4wt.％，余量为Al。
在本发明的一个优选实施例中，该焊丝为7xxx系铝基复合材料，其重量 百分比包含如下元素：10％Zn，2.8％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe，0.1％Sc， TiB2增强相含量为4wt.％，余量为Al。
本发明还公开了一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝的制备方 法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将纯铝加入坩埚中，升温熔融后加入JZF-03型覆盖剂，覆盖均匀后 升温进行熔炼，随后将均匀混合并烘干后的KBF4和K2TiF6盐加入熔体，并机械 搅拌充分反应，然后依次加入Cu粒、Al-Si合金、Mg粒、Zn粒和Sc粒，，并添 加JZJ型精炼剂进行除气精炼，随后去除反应副产物，进行气雾化制粉；
S2：将雾化粉筛分，取所需粒径复合材料粉末在坩埚中热等静压烧结；
S3：烧结后坯锭进行热挤压成线坯，热挤压温度为350-450℃，挤压速度 为0.5-2m/min，挤压比16-25；
S4：将线坯进行多道次拉制，每道拉制都与去应力退火交替进行，最后 将所述线坯拉制成所需规格的焊丝，经过清洁处理，即得到用于高强7xxx铝 合金与复合材料的焊丝。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤S1中覆盖剂为JZF-03型高温覆 盖剂，升温至温度650-850℃；KBF4和K2TiF6质量比为1：0.5-1：2；机械搅拌 反应时间为10-45min；精炼温度为650-750℃，精练时间为10-20min。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤S2中筛粉后复合材料颗粒直径 小于25μm，热等静压烧结温度450-490℃，烧结压力50-100MPa，烧结保温时 间50-100min。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤S4中将S3步骤中得到的线坯经 过8-25道次拉拔，每道次后在300-400℃进行10min退火。
与现有技术相比，本发明具有以下几点有益效果：
1.本发明提供了一种晶粒细小原位合成TiB2增强铝基复合材料焊丝，TiB2分布弥散均匀，焊接过程中，大大降低了颗粒团聚的风险，TiB2颗粒提供了大 量的形核位点，限制了晶粒长大，提高了焊缝强度。
2.本发明提供的原位合成TiB2增强的铝基复合材料焊丝，由于TiB2的弥散 分布，增加了电子散射的概率，提高了电阻率，可以降低焊接过程中的线能 量。
3.本发明提供的TiB2颗粒增强的铝基复合材料焊丝，7xxx系铝合金基体含 有高含量的Zn、Mg元素，可以补充焊接过程中Zn、Mg元素的挥发，添加微量 的稀土Sc元素，可以细化晶粒，并具有吸氧作用，防止高熔点Al2O3膜形成。
4.本发明提供的一种用于高强7xxx系铝合金与复合材料焊丝的制备方 法，采用粉末冶金技术制备，较传统的熔炼铸造，工艺简单，快速凝固粉末 制备保证了TiB2的弥散分布，并且本发明提供的制备方法，后续的热挤压和拉 拔过程中，加工性能更好，表面质量更佳。
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
一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝，该焊丝为7xxx系铝基复合 材料，其重量百分比包含如下元素：7.5％Zn，2.8％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe， 0.1％Sc，TiB2增强相含量为4wt.％，余量为Al。
实施例1的用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝的制备方法，包括如下 步骤：
S1：将纯铝加入坩埚中，升温熔融后加入JZF-03型覆盖剂，覆盖均匀后 升温750℃熔炼，随后将均匀混合并烘干后质量比2：1的KBF4和K2TiF6盐加入熔 体，并机械搅拌充分反应20min，然后依次加入Cu粒、Al-Si合金(10wt.％Si)、 Mg粒、Zn粒和Sc粒，，并添加JZJ型精炼剂，在750℃除气精炼20min，随后去 除反应副产物，进行气雾化制粉；
S2：将雾化粉末过筛保证颗粒直径小于25μm，粉末装进坩埚中，进行热 等静压烧结，烧结温度470℃，烧结压力100MPa，烧结保温时间60min，真空 度10-3Pa以下；
S3：将烧结锭车去表皮进行热挤压，其中热挤压温度为400℃，挤压速度 2mm/min，挤压比16：1；
S4：挤压成的10mm棒材进行12道次拉拔，每道次拉拔间隔在350℃回火 10min，拉拔成2mm的焊丝，最后进行定径刮削、清洗和表面处理，即得到一 种用于高强7xxx系铝合金与复合材料的焊丝。经测试，将本焊丝通过TIG焊接 技术，进行TiB2颗粒增强7xxx基复合材料的焊接，焊接后经过力学性能测试焊 接强度可高达复材的76.5％。
实施例2
一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝，该焊丝为7xxx系铝基复合 材料，其重量百分比包含如下元素：10％Zn，2.8％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe， 0.1％Sc，TiB2增强相含量为4wt.％，余量为Al。
实施例2的用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝的制备方法，包括如下 步骤：
S1：将纯铝加入坩埚中，升温熔融后加入JZF-03型覆盖剂，覆盖均匀后 升温750℃熔炼，随后将均匀混合并烘干后质量比2：1的KBF4和K2TiF6盐加入熔 体，并机械搅拌充分反应20min，然后依次加入Cu粒、Al-Si合金(10wt.％Si)、 Mg粒、Zn粒和Sc粒，，并添加JZJ型精炼剂，在750℃除气精炼20min，随后去 除反应副产物，进行气雾化制粉；
S2：将雾化粉末过筛保证颗粒直径小于25μm，粉末装进坩埚中，进行热 等静压烧结，烧结温度470℃，烧结压力100MPa，烧结保温时间60min，真空 度10-3Pa以下；
S3：将烧结锭车去表皮进行热挤压，其中热挤压温度为400℃，挤压速度 2mm/min，挤压比16：1；
S4：挤压成的10mm棒材进行16道次拉拔，每道次拉拔间隔在350℃回火 10min，拉拔成1.5mm的焊丝，最后进行定径刮削、清洗和表面处理，即得到 一种用于高强7xxx系铝合金与复合材料的焊丝。经测试，将本焊丝通过TIG焊 接技术，进行TiB2颗粒增强7xxx基复合材料的焊接，焊接后经过力学性能测试 焊接强度可高达复材的71.8％。
实施例3
一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝，该焊丝为7xxx系铝基复合 材料，其重量百分比包含如下元素：10％Zn，2.8％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe， 0.1％Sc，TiB2增强相含量为8wt.％，余量为Al。
实施例3的用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝的制备方法，包括如下 步骤：
S1：将纯铝加入坩埚中，升温熔融后加入JZF-03型覆盖剂，覆盖均匀后 升温750℃熔炼，随后将均匀混合并烘干后质量比2：1的KBF4和K2TiF6盐加入熔 体，并机械搅拌充分反应20min，然后依次加入Cu粒、Al-Si合金(10wt.％Si)、 Mg粒、Zn粒和Sc粒，，并添加JZJ型精炼剂，在750℃除气精炼20min，随后去 除反应副产物，进行气雾化制粉；
S2：将雾化粉末过筛保证颗粒直径小于25μm，粉末装进坩埚中，进行热 等静压烧结，烧结温度470℃，烧结压力100MPa，烧结保温时间60min，真空 度10-3Pa以下；
S3：将烧结锭车去表皮进行热挤压，其中热挤压温度为400℃，挤压速度 2mm/min，挤压比16：1；
S4：挤压成的10mm棒材进行12道次拉拔，每道次拉拔间隔在350℃回火 10min，拉拔成2mm的焊丝，最后进行定径刮削、清洗和表面处理，即得到一 种用于高强7xxx系铝合金与复合材料的焊丝。经测试，将本焊丝通过TIG焊接 技术，进行TiB2颗粒增强7xxx基复合材料的焊接，焊接后经过力学性能测试焊 接强度可高达复材的70.1％。
实施例4
一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝，该焊丝为7xxx系铝基复合 材料，其重量百分比包含如下元素：7.5％Zn，2.5％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe， 0.1％Sc，TiB2增强相含量为4wt.％，余量为Al。
实施例4的用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝的制备方法，包括如下 步骤：
S1：将纯铝加入坩埚中，升温熔融后加入JZF-03型覆盖剂，覆盖均匀后 升温750℃熔炼，随后将均匀混合并烘干后质量比2：1的KBF4和K2TiF6盐加入熔 体，并机械搅拌充分反应20min，然后依次加入Cu粒、Al-Si合金(10wt.％Si)、 Mg粒、Zn粒和Sc粒，，并添加JZJ型精炼剂，在750℃除气精炼20min，随后去 除反应副产物，进行气雾化制粉；
S2：将雾化粉末过筛保证颗粒直径小于25μm，粉末装进坩埚中，进行热 等静压烧结，烧结温度470℃，烧结压力100MPa，烧结保温时间60min，真空 度10-3Pa以下；
S3：将烧结锭车去表皮进行热挤压，其中热挤压温度为400℃，挤压速度 2mm/min，挤压比16：1；
S4：挤压成的10mm棒材进行12道次拉拔，每道次拉拔间隔在350℃回火 10min，拉拔成2mm的焊丝，最后进行定径刮削、清洗和表面处理，即得到一 种用于高强7xxx系铝合金与复合材料的焊丝。经测试，将本焊丝通过TIG焊接 技术，进行TiB2颗粒增强7xxx基复合材料的焊接，焊接后经过力学性能测试焊 接强度可高达复材的76.8％。
实施例5
一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝，该焊丝为7xxx系铝基复合 材料，其重量百分比包含如下元素：10％Zn，2.8％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe， 0.1％Sc，TiB2增强相含量为4wt.％，余量为Al。
实施例5的用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝的制备方法，包括如下 步骤：
S1：将纯铝加入坩埚中，升温熔融后加入JZF-03型覆盖剂，覆盖均匀后 升温750℃熔炼，随后将均匀混合并烘干后质量比2：1的KBF4和K2TiF6盐加入熔 体，并机械搅拌充分反应20min，然后依次加入Cu粒、Al-Si合金(10wt.％Si)、 Mg粒、Zn粒和Sc粒，，并添加JZJ型精炼剂，在750℃除气精炼20min，随后去 除反应副产物，进行气雾化制粉；
S2：将雾化粉末过筛保证颗粒直径小于25μm，粉末装进坩埚中，进行热 等静压烧结，烧结温度470℃，烧结压力100MPa，烧结保温时间60min，真空 度10-3Pa以下；
S3：将烧结锭车去表皮进行热挤压，其中热挤压温度为400℃，挤压速度 2mm/min，挤压比16：1；
S4：挤压成的10mm棒材进行16道次拉拔，每道次拉拔间隔在350℃回火 10min，拉拔成1.5mm的焊丝，最后进行定径刮削、清洗和表面处理，即得到 一种用于高强7xxx系铝合金与复合材料的焊丝。经测试，将本焊丝通过TIG焊 接技术，进行7xxx铝合金(9wt。％Zn，2.5wt.％Mg，2.4wt.％Cu，0.1wt.％Fe) 的焊接，焊接后经过力学性能测试焊接强度可高达复材的74.5％。
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)

1.一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝，其特征在于，所述焊丝为7xxx系铝基复合材料，其重量百分比包含如下元素：6.7-12wt.％Zn，2.0-2.8wt.％Mg，2.0-2.5wt.％Cu，0.1wt.％Si，0.1wt.％Fe，0.1wt.％Sc，增强相TiB2含量为4-8wt.％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝，其特征在于：所述焊丝为7xxx系铝基复合材料，其重量百分比包含如下元素：7.5％Zn，2.8％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe，0.1％Sc，TiB2增强相含量为4wt.％，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝，其特征在于：所述焊丝为7xxx系铝基复合材料，其重量百分比包含如下元素：10％Zn，2.8％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe，0.1％Sc，TiB2增强相含量为4wt.％，余量为Al。
4.根据权利要求1所述的一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝，其特征在于：所述焊丝为7xxx系铝基复合材料，其重量百分比包含如下元素：10％Zn，2.8％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe，0.1％Sc，TiB2增强相含量为8wt.％，余量为Al。
5.根据权利要求1所述的一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝，其特征在于：所述焊丝为7xxx系铝基复合材料，其重量百分比包含如下元素：7.5％Zn，2.5％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe，0.1％Sc，TiB2增强相含量为4wt.％，余量为Al。
6.根据权利要求1所述的一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝，其特征在于：所述焊丝为7xxx系铝基复合材料，其重量百分比包含如下元素：10％Zn，2.8％Mg，2.0％Cu，0.1％Si，0.1％Fe，0.1％Sc，TiB2增强相含量为4wt.％，余量为Al。
7.一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1所述的用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1：将纯铝加入坩埚中，升温熔融后加入JZF-03型覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，随后将均匀混合并烘干后的KBF4和K2TiF6盐加入熔体，并机械搅拌充分反应，然后依次加入Cu粒、Al-Si合金、Mg粒、Zn粒和Sc粒，，并添加JZJ型精炼剂进行除气精炼，随后去除反应副产物，进行气雾化制粉；
S2：将雾化粉筛分，取所需粒径复合材料粉末在坩埚中热等静压烧结；
S3：烧结后坯锭进行热挤压成线坯，热挤压温度为350-450℃，挤压速度为0.5-2m/min，挤压比16-25；
S4：将线坯进行多道次拉制，每道拉制都与去应力退火交替进行，最后将所述线坯拉制成所需规格的焊丝，经过清洁处理，即得到用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝。
8.根据权利要求7所述的一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中覆盖剂为JZF-03型高温覆盖剂，升温至温度650-850℃；KBF4和K2TiF6质量比为1：0.5-1：2；机械搅拌反应时间为10-45min；精炼温度为650-750℃，精练时间为10-20min。
9.根据权利要求7所述的一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中筛粉后复合材料颗粒直径小于25μm，热等静压烧结温度450-490℃，烧结压力50-100MPa，烧结保温时间50-100min。
10.根据权利要求7所述的一种用于高强7xxx铝合金与复合材料的焊丝的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中将S3步骤中得到的线坯经过8-25道次拉拔，每道次后在300-400℃进行10min退火。
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