CN111331280A - 高熵合金预制体与TA2/0Cr18Ni9熔焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：Ti为5～10％，Ni为30～35％，Cu为20～27％，Cr为24～28％，Fe为余量，总百分比为100％。本发明还公开了高熵合金预制体与TA2/0Cr18Ni9熔焊方法，包括：焊接前，将钛板、不锈钢板材加工出45°V型坡口，不留钝边，将坡口两侧打磨干净，对钛板、不锈钢板材及高熵合金预制体进行抛光和清洗；焊接时，将高熵合金预制体置于钛板和不锈钢板之间，分别焊接；焊接完成后，将焊件放入石灰粉中焊后缓冷。使用本发明高熵合金预制体TIG焊钛/钢，形成的高熵焊缝基本上消除了脆性金属间化合物，得到的接头为简单固溶体组织，接头综合机械性能显著提高。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体地说，涉及一种高熵合金预制体及与TA2/0Cr18Ni9熔焊方法。
背景技术
钛及钛合金因具有良好的韧性、优良的机械加工性能以及抗腐蚀性能，广泛地应用于在石油化工、航空航天等领域。但是其价格较高，而钢作为常用的结构材料，具有优异的力学性能、焊接性及热稳定性，且成本较低。钛/钢复合结构综合两者的优点，在减轻结构质量的同时提高了结构的抗腐蚀性能，且成本较低，被广泛应用于航空航天、海洋工程、核反应堆和化工容器制造等行业。
但是，钛/钢复合结构的应用势必涉及到钛与钢的焊接问题。由于钛与钢的物理和化学性能存在较大差异，导致其在焊接中存在很大困难。热导率和线膨胀系数的差异使钛与钢在焊接时不能同时熔化，并产生裂纹；而互溶性差、高温易氧化，使得容易在焊接中产生脆性的TiFe2、TiFe、TiC等化合物。目前，用于钛/钢焊接的主要方法是熔化焊、压力焊和钎焊，大多通过添加V、Cu/V等中间层阻止脆性金属间化合物的产生，这几种方法均能将钛/钢焊在一起，但上述方法或因焊接工艺很难控制或因金属间化合物导致接头性能不佳，而使其不能广泛应用于工业生产。
发明内容
本发明的目的提供一种高熵合金预制体，解决了现有焊接方法易形成脆硬的金属件化合物，不易获得高性能的钛-钢复合结构的问题。
本发明的另一个目的是提供一种高熵合金预制体与TA2/0Cr18Ni9熔焊方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：Ti为5～10％，Ni为30～35％，Cu为20～27％，Cr为24～28％，Fe为余量，原子百分比之和为100％。
优选地，一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：Ti为5％，Ni为30％，Cu为27％，Cr为24％，Fe为余量，原子百分比之和为100％。
优选地，一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：Ti为8％，Ni为33％，Cu为24％，Cr为26％，Fe为余量，原子百分比之和为100％。
优选地，一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：Ti为10％，Ni为35％，Cu为22％，Cr为28％，Fe为余量，原子百分比之和为100％。
本发明还公开了一种高熵合金预制体与TA2/0Cr18Ni9熔焊方法，包括以下步骤：
步骤1，焊接前，将钛板、不锈钢板材加工出45°V型坡口，不留钝边，将坡口两侧打磨干净，对钛板、不锈钢板材及高熵合金预制体进行抛光和清洗，不得有污垢、油渍和水痕；
步骤2，将高熵合金预制体置于钛板和不锈钢板之间，先焊接高熵合金预制体与不锈钢板材侧，再焊接钛板与高熵合金预制体侧，焊接时通双面氩气保护；
步骤3，焊接完成后，将焊件放入石灰粉中，进行焊后缓冷，减小焊接应力。
优选地，高熵合金预制体的制备方法为：
按原子百分比由以下组分组成：Ti为5～10％，Ni为30～35％，Cu为20～27％，Cr为24～28％，Fe为余量，原子百分比之和为100％；
将上述原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称取各高纯金属，各高纯金属的纯度均高于99.99％，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
优选地，步骤2中焊接高熵合金预制体与不锈钢板材时所有的焊材成分与高熵合金预制体的组分相对应。
优选地，步骤2中焊接钛板与高熵合金预制体时所用的焊材成分与高熵合金预制体的组分相对应。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
本发明高熵合金预制体，本身为高熵合金，和传统单一中间层材料有所不同，使用焊材焊后所形成的焊缝亦属高熵合金，只是焊缝中的某些元素含量相比于预制体成分有所波动，这是由于母材熔入焊缝导致的无法避免的一种现象。试验证明，使用该高熵合金预制体TIG焊钛/钢，形成的高熵焊缝基本上消除了脆性金属间化合物，得到的接头为简单固溶体组织，接头综合机械性能显著提高。本发明焊接方法可操作性高、适用性强、工艺简单、成本低。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明公开了一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：Ti为5～10％，Ni为30～35％，Cu为20～27％，Cr为24～28％，Fe为余量，原子百分比之和为100％。
高熵合金预制体的制备方法为：
将上述原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称取各高纯金属，各高纯金属的纯度均高于99.99％，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
本发明的高熵合金预制体成分中各元素的组成及含量限定理由是：为了提高钛/不锈钢接头的综合力学性能，高熵中间层合金的选择为Ti-Fe-Cr-Ni-Cu五主元合金系。理由有以下两点；①由于母材中含有Ti、Fe、Ni、Cr四种元素，焊接过程中母材不可避免的会熔化进入到焊缝中，为避免这种影响，所以在中间层合金中加入这四种元素；②Cu与Fe能在液态下无限固溶，固态下有限固溶，且塑性好，由于其熔点较低，结晶时易在枝晶间偏析，对晶粒起到钎焊作用，可提高焊缝的韧性。
本发明还公开了一种高熵合金预制体与TA2/0Cr18Ni9熔焊方法，包括以下步骤：
步骤1，焊接前，将钛板、不锈钢板材加工出45°V型坡口，不留钝边，将坡口两侧打磨干净，对钛板、不锈钢板材及高熵合金预制体进行抛光和清洗，不得有污垢、油渍和水痕；
步骤2，焊接时，先焊接高熵合金预制体与不锈钢板材侧，再焊接钛板与高熵合金预制体侧，焊接时通双面氩气保护；
步骤3，焊接完成后，将焊件放入石灰粉中，进行焊后缓冷，减小焊接应力。
本发明应用高熵效应焊接钛/不锈钢的方法，该方法的工作原理是：在两块待焊板材(本发明分别以TA2母材与0Cr18Ni9母材为例)之间放置一定厚度的高熵合金预制体，TIG焊过程中，高熵中间层合金及局部母材熔化，熔化金属相混融，其熔融金属处在高熵合金成分范围，凝固后形成具有单相固溶体结构、而无金属间化合物产生的高熵焊缝，实现钛/不锈钢的高性能焊接。
本发明高熵合金预制体，本身为高熵合金，和传统单一中间层材料有所不同，使用焊材焊后所形成的焊缝亦属高熵合金，只是焊缝中的某些元素含量相比于预制体成分有所波动，这是由于母材熔入焊缝导致的无法避免的一种现象。试验证明，使用该高熵合金预制体TIG焊钛/钢，形成的高熵焊缝基本上消除了脆性金属间化合物，得到的接头为简单固溶体组织，接头综合机械性能显著提高。本发明焊接方法可操作性高、适用性强、工艺简单、成本低。
实施例1
一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：Ti为5％，Ni为30％，Cr为24％，Cu为27％，Fe为余量，原子百分比之和为100％；
将上述原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称取各高纯金属，各高纯金属的纯度均高于99.99％，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
焊接前，将TA2母材、0Cr18Ni9母材加工出45°V型坡口，不留钝边，将坡口两侧打磨干净，对TA2母材、0Cr18Ni9母材及高熵合金预制体进行抛光和清洗，不得有污垢、油渍和水痕；
将高熵合金预制体放置于TA2母材与0Cr18Ni9母材之间，焊接时，先焊接高熵合金预制体与0Cr18Ni9母材侧，再焊接TA2母材与高熵合金预制体侧，焊接时，通双面氩气保护。应用该高熵合金预制体，对TA2/0Cr18Ni9薄板进行TIG焊接。
焊接TA2与预制体使用焊材成分为Ti2Fe21Ni30Cr24Cu27，在焊接电流为I＝65A，焊接速度V＝60mm/min、氩气流量Q＝12L/min的条件下进行焊接；
焊接0Cr18Ni9与预制体时使用焊材成分为Ti8Fe22Ni28Cr15Cu27，在焊接电流为I＝60A，焊接速度V＝55mm/min、氩气流量Q＝12L/min的条件下进行焊接。
经检测，最终得到的接头抗拉强度约为305MPa。
实施例2
一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：Ti为8％，Ni为33％，Cr为26％，Cu为24％，Fe为余量，原子百分比之和为100％；
将上述原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称取各高纯金属，各高纯金属的纯度均高于99.99％，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
焊接前，将TA2母材、0Cr18Ni9母材加工出45°V型坡口，不留钝边，将坡口两侧打磨干净，对TA2母材、0Cr18Ni9母材及高熵合金预制体进行抛光和清洗，不得有污垢、油渍和水痕；
将高熵合金预制体放置于TA2母材与0Cr18Ni9母材之间，焊接时，先焊接高熵合金预制体与0Cr18Ni9母材侧，再焊接TA2母材与高熵合金预制体侧，焊接时，通双面氩气保护。应用该高熵合金预制体，对TA2/0Cr18Ni9薄板进行TIG焊接。
焊接TA2与预制体使用焊材成分为Ti5Fe12Ni33Cr26Cu24，在焊接电流为I＝65A，焊接速度V＝60mm/min、氩气流量Q＝12L/min的条件下进行焊接；
焊接0Cr18Ni9与预制体时使用焊材成分为Ti10Fe17Ni30Cr16Cu27，在焊接电流为I＝60A，焊接速度V＝55mm/min、氩气流量Q＝12L/min的条件下进行焊接。
经检测，最终得到的接头抗拉强度约为330MPa。
实施例3
一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：Ti为10％，Ni为35％，Cr为28％，Cu为22％，Fe为余量，原子百分比之和为100％。
将上述原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称取各高纯金属，各高纯金属的纯度均高于99.99％，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
焊接前，将TA2母材、0Cr18Ni9母材加工出45°V型坡口，不留钝边，将坡口两侧打磨干净，对TA2母材、0Cr18Ni9母材及高熵合金预制体进行抛光和清洗，不得有污垢、油渍和水痕；
将高熵合金预制体放置于TA2母材与0Cr18Ni9母材之间，焊接时，先焊接高熵合金预制体与0Cr18Ni9母材侧，再焊接TA2母材与高熵合金预制体侧，焊接时，通双面氩气保护。应用该高熵合金预制体，对TA2/0Cr18Ni9薄板进行TIG焊接；
焊接TA2母材与预制体使用焊材成分为Ti8Fe10Ni32Cr26Cu24，在焊接电流为I＝65A，焊接速度V＝60mm/min、氩气流量Q＝12L/min的条件下进行焊接；
焊接0Cr18Ni9母材与预制体时使用焊材成分为Ti12Fe16Ni30Cr15Cu27，在焊接电流为I＝60A，焊接速度V＝55mm/min、氩气流量Q＝12L/min的条件下进行焊接。
经检测，最终得到的焊接接头强度约为280MPa。
实施例4
一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：Ti为6％，Ni为34％，Cr为25％，Cu为20％，Fe为余量，原子百分比之和为100％；
将上述原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称取各高纯金属，各高纯金属的纯度均高于99.99％，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
焊接前，将TA2母材、0Cr18Ni9母材加工出45°V型坡口，不留钝边，将坡口两侧打磨干净，对TA2母材、0Cr18Ni9母材及高熵合金预制体进行抛光和清洗，不得有污垢、油渍和水痕；
将高熵合金预制体放置于TA2母材与0Cr18Ni9母材之间，焊接时，先焊接高熵合金预制体与0Cr18Ni9母材侧，再焊接TA2母材与高熵合金预制体侧，焊接时，通双面氩气保护。应用该高熵合金预制体，对TA2/0Cr18Ni9薄板进行TIG焊接。
焊接TA2与预制体使用焊材成分为Ti2Fe21Ni30Cr24Cu27，在焊接电流为I＝65A，焊接速度V＝60mm/min、氩气流量Q＝12L/min的条件下进行焊接；
焊接0Cr18Ni9与预制体时使用焊材成分为Ti8Fe22Ni28Cr15Cu27，在焊接电流为I＝60A，焊接速度V＝55mm/min、氩气流量Q＝12L/min的条件下进行焊接。
经检测，最终得到的接头抗拉强度约为290MPa。
实施例5
一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：Ti为7％，Ni为32％，Cr为27％，Cu为26％，Fe为余量，原子百分比之和为100％；
将上述原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称取各高纯金属，各高纯金属的纯度均高于99.99％，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
焊接前，将TA2母材、0Cr18Ni9母材加工出45°V型坡口，不留钝边，将坡口两侧打磨干净，对TA2母材、0Cr18Ni9母材及高熵合金预制体进行抛光和清洗，不得有污垢、油渍和水痕；
将高熵合金预制体放置于TA2母材与0Cr18Ni9母材之间，焊接时，先焊接高熵合金预制体与0Cr18Ni9母材侧，再焊接TA2母材与高熵合金预制体侧，焊接时，通双面氩气保护。应用该高熵合金预制体，对TA2/0Cr18Ni9薄板进行TIG焊接。
焊接TA2与预制体使用焊材成分为Ti5Fe12Ni33Cr26Cu24，在焊接电流为I＝65A，焊接速度V＝60mm/min、氩气流量Q＝12L/min的条件下进行焊接；
焊接0Cr18Ni9与预制体时使用焊材成分为Ti10Fe17Ni30Cr16Cu27，在焊接电流为I＝60A，焊接速度V＝55mm/min、氩气流量Q＝12L/min的条件下进行焊接。
经检测，最终得到的接头抗拉强度约为315MPa。
实施例6
一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：Ti为9％，Ni为31％，Cr为24％，Cu为25％，Fe为余量，原子百分比之和为100％。
将上述原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称取各高纯金属，各高纯金属的纯度均高于99.99％，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
焊接前，将TA2母材、0Cr18Ni9母材加工出45°V型坡口，不留钝边，将坡口两侧打磨干净，对TA2母材、0Cr18Ni9母材及高熵合金预制体进行抛光和清洗，不得有污垢、油渍和水痕；
将高熵合金预制体放置于TA2母材与0Cr18Ni9母材之间，焊接时，先焊接高熵合金预制体与0Cr18Ni9母材侧，再焊接TA2母材与高熵合金预制体侧，焊接时，通双面氩气保护。应用该高熵合金预制体，对TA2/0Cr18Ni9薄板进行TIG焊接。
焊接TA2母材与预制体使用焊材成分为Ti8Fe10Ni32Cr26Cu24，在焊接电流为I＝65A，焊接速度V＝60mm/min、氩气流量Q＝12L/min的条件下进行焊接；
焊接0Cr18Ni9母材与预制体时使用焊材成分为Ti12Fe16Ni30Cr15Cu27，在焊接电流为I＝60A，焊接速度V＝55mm/min、氩气流量Q＝12L/min的条件下进行焊接。
经检测，最终得到的焊接接头强度约为320MPa。
综上所述，本发明的高熵预制体及熔焊工艺应用于钛/不锈钢的焊接，获得具有简单固溶体结构，焊缝不产生金属间化合物的接头，接头的性能明显提高；应用该预制体焊接钛/不锈钢工艺简单，易操作，焊缝成形美观，焊接区无裂纹，对于避免金属间化合物的产生起到了有益的效果。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种高熵合金预制体，其特征在于，按原子百分比由以下组分组成：Ti为5～10％，Ni为30～35％，Cu为20～27％，Cr为24～28％，Fe为余量，原子百分比之和为100％。
2.如权利要求1所述的一种高熵合金预制体，其特征在于，按原子百分比由以下组分组成：Ti为5％，Ni为30％，Cu为27％，Cr为24％，Fe为余量，原子百分比之和为100％。
3.如权利要求1所述的一种高熵合金预制体，其特征在于，按原子百分比由以下组分组成：Ti为8％，Ni为33％，Cu为24％，Cr为26％，Fe为余量，原子百分比之和为100％。
4.如权利要求1所述的一种高熵合金预制体，其特征在于，按原子百分比由以下组分组成：Ti为10％，Ni为35％，Cu为22％，Cr为28％，Fe为余量，原子百分比之和为100％。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述的高熵合金预制体与TA2/0Cr18Ni9熔焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，焊接前，将钛板、不锈钢板材加工出45°V型坡口，不留钝边，将坡口两侧打磨干净，对钛板、不锈钢板材及高熵合金预制体进行抛光和清洗，不得有污垢、油渍和水痕；
步骤2，将高熵合金预制体置于钛板和不锈钢板之间，先焊接高熵合金预制体与不锈钢板材侧，再焊接钛板与高熵合金预制体侧，焊接时通双面氩气保护；
步骤3，焊接完成后，将焊件放入石灰粉中，进行焊后缓冷，减小焊接应力。
6.如权利要求5所述的高熵合金预制体与TA2/0Cr18Ni9熔焊方法，其特征在于，所述高熵合金预制体的制备方法为：
Ti为5～10％，Ni为30～35％，Cu为20～27％，Cr为24～28％，Fe为余量，原子百分比之和为100％；
将上述原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称取各高纯金属，各高纯金属的纯度均高于99.99％，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
7.如权利要求5或6所述的高熵合金预制体与TA2/0Cr18Ni9熔焊方法，其特征在于，步骤2中焊接高熵合金预制体与不锈钢板材时所有的焊材成分与高熵合金预制体的组分相对应。
8.如权利要求7所述的高熵合金预制体与TA2/0Cr18Ni9熔焊方法，其特征在于，步骤2中焊接钛板与高熵合金预制体时所用的焊材成分与高熵合金预制体的组分相对应。
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