CN111761258A - 一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝及其制备方法，焊丝由0级海绵钛、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金和铝锡中间合金制成，各组分按重量百分比包括Al：4.5‑6.75%，V：0.5‑1.5%，Cr：0.3‑1.75%，Zr：1.5‑2.5%，Mo：1.5‑3.0%，Sn：0.5‑2.0%，余量为Ti和不可避免的杂质，经压制、组焊、两次熔炼、开坯锻造、自由锻、轧制、拉丝、矫直和磨光处理，最后经真空退火后得到适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝，焊丝性能满足冲击吸收功KV2≥20J，抗拉强度Rm≥1010MPa，适用于Ti62A合金TIG焊和MIG焊等，满足了我国载人潜水器用Ti62A合金专用配套焊丝需求。
Description
技术领域
本发明涉及载人潜水器用Ti62A合金的焊接领域，尤其涉及一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝及其制备方法。
背景技术
钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀、无磁等优异的性能，特别是在海水和酸性烃类化合物中具有良好的耐蚀性，是船舶与海洋工程优选的材料，因此钛合金被誉为“海洋金属”。船用钛合金是我国钛产业重要的研究及发展方向，是未来极为重要的应用领域。
随着我国载人潜水器下潜深度的大幅度增加，其服役环境更加恶劣，载人舱球壳对焊接接头的综合力学性能要求越来越高。Ti62A合金为屈服强度900MPa级钛合金，目前已应用于我国载人潜水器载人舱球壳。Ti62A合金作为载人潜水器的关键材料，其焊接性能直接影响到潜水器的安全可靠性能。但现有技术中缺少针对于载人潜水器用Ti62A合金的专用配套焊丝，制约了Ti62A合金在载人潜水器上的应用，难以满足深海装备发展的需求。
发明内容
为解决现有技术中缺少针对于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝问题，本发明提供了一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝及其制备方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝，由0级海绵钛、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金和铝锡中间合金制成，各组分按重量百分比包括Al：4.5-6.75%，V：0.5-1.5%，Cr：0.3-1.75%，Zr：1.5-2.5%，Mo：1.5-3.0%，Sn：0.5-2.0%，余量为Ti和不可避免的杂质。
优选的，各组分按重量百分比包括Al：6%，V：1%，Cr：0.5%，Zr：2%，Mo：2%，Sn：1%，O：0.08%，余量为Ti和不可避免的杂质。
优选的，各组分按重量百分比包括Al：5%，V：1%，Cr：1%，Zr：2%，Mo：2.5%，Sn：1.5%，O：0.08%，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝制备方法，包括以下步骤：
步骤一：选取0级海绵钛、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金和铝锡中间合金作为原料进行混料处理，然后通过压制和组焊，得到自耗电极；
步骤二：对步骤一得到的自耗电极先后进行两次熔炼处理，得到二次铸锭；
步骤三：对步骤二得到的二次铸锭进行扒皮处理并切除冒口，然后经开坯锻造，得到坯料；
步骤四：对步骤三得到的坯料进行自由锻、轧制、拉丝、矫直和磨光处理，得到丝材；
步骤五：对步骤四得到的丝材进行真空退火，得到适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝。
优选的，步骤一中采用真空电子束焊接。
优选的，步骤四中，自由锻温度为950~1100℃，锻造比不大于2:1，锻造火次不小于20次，保温时间30~60min。
优选的，步骤四中，先对自由锻后的坯料进行锻后退火处理，再对锻后退火完成后的坯料进行轧制。
进一步的，所述锻后退火处理的加热温度为540℃±10℃，保温时间不小于60min，然后进行空冷。
优选的，步骤四中，在对轧制后的坯料进行拉丝的过程中，同时对轧制后的坯料进行拉丝退火处理。
进一步的，所述拉丝退火处理的加热温度为650℃±10℃，保温时间不小于20min，然后进行空冷，保证在空冷结束前完成拉丝过程。
根据上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中通过对焊丝的原料进行合理选用，对焊丝各组分的重量百分比进行优化，并对焊丝的生产工艺进行了合理制定，最终制得的焊丝能够实现其性能满足冲击吸收功KV2≥20J，抗拉强度Rm≥1010MPa，适用于Ti62A合金TIG焊和MIG焊等，满足了我国载人潜水器用Ti62A合金专用配套焊丝需求。
其中，Al的量控制为4.5-6.75%，当Al的量较低时，焊丝的抗拉强度也较低，而当Al的量较高时，焊丝的冲击韧性糊大幅下降，因此对Al的量进行了优化控制。V的量控制为0.5-1.5%，能够增加焊丝的淬透性，保证焊丝在热处理后不同位置性能的均匀性。Cr的量控制为0.3-1.75%，能够提高合金的强度和塑性，可热处理强化，当Cr的量较低时，对合金性能的强化不明显，当Cr的量较高时，容易在焊缝中析出化合物而降低焊丝的韧性，因此对Cr的量进行了优化控制。Zr的量控制为1.5-2.5%，能够细化晶粒、改善焊接性能。Mo的量控制为1.5-3.0%，能提高钛合金的强度和淬透性，当Mo的量较高时，会严重影响Ti62A合金的焊接性能，因此对Mo的量进行了优化控制。Sn的量控制为0.5-2.0%，能够对焊丝成分起到固溶强化的作用，当Sn的量较高时，容易形成低熔点共晶，降低焊缝韧性，因此对Sn的量进行了优化控制。通过对上述金属元素的量进行配合控制，最终能保证焊丝的冲击吸收功KV2≥20J，抗拉强度Rm≥1010MPa。
具体实施方式
一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝，由0级海绵钛、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金和铝锡中间合金制成，各组分按重量百分比包括Al：4.5-6.75%，V：0.5-1.5%，Cr：0.3-1.75%，Zr：1.5-2.5%，Mo：1.5-3.0%，Sn：0.5-2.0%，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝制备方法，包括以下步骤：
步骤一：选取0级海绵钛、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金和铝锡中间合金作为原料进行混料处理，然后通过压制和组焊，采用真空电子束焊接，得到自耗电极。
步骤二：对步骤一得到的自耗电极先后进行两次熔炼处理，得到二次铸锭。
步骤三：对步骤二得到的二次铸锭进行扒皮处理并切除冒口，然后经开坯锻造，得到坯料。
步骤四：对步骤三得到的坯料进行自由锻，自由锻温度为950~1100℃，锻造比不大于2:1，锻造火次不小于20次，保温时间30~60min；然后对自由锻后的坯料进行锻后退火处理，锻后退火处理的加热温度为540℃±10℃，保温时间不小于60min，然后进行空冷；再对锻后退火完成后的坯料进行轧制、拉丝、矫直和磨光处理，得到丝材。进行拉丝的过程中，同时对轧制后的坯料进行拉丝退火处理，拉丝退火处理的加热温度为650℃±10℃，保温时间不小于20min，然后进行空冷，保证在空冷结束前完成拉丝过程。
步骤五：对步骤四得到的丝材进行真空退火，得到适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝。
实施例1：
焊丝由0级海绵钛、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金和铝锡中间合金制成，各组分按重量百分比包括Al：6%，V：1%，Cr：0.5%，Zr：2%，Mo：2%，Sn：1%，O：0.08%，余量为Ti和不可避免的杂质。
将0级海绵钛、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金和铝锡中间合金分别按上述质量百分比配料压制电极，电极焊接采用真空电子束焊接，采用真空自耗电弧炉。
铸锭采用真空自耗电弧熔炼技术制备，预熔真空度应达到10-2Pa，为保证合金成分均匀，熔炼次数≥2次，将铸锭车皮后，去缩口，然后进行开坯锻造。
将铸锭去缩孔，车表皮后，进行开坯锻造，锻造规范为：加热温度1050℃±10℃，保温60min。
将开坯后的焊料自由锻造为Φ14mm的锻棒，自由锻规范为：加热温度1000℃±10℃，锻造比2:1，锻造火次20次，保温时间：30~60min。
将锻造后的棒材进行热轧制，轧制温度为930℃±5℃；为清除应力，使成分组织均匀，将自由锻造后的棒材进行退火热处理，规范：540℃±10℃，保温时间60min，空冷。然后在热轧机设备上将其轧为细棒材。
将热轧后的细棒材在拉丝设备上进行拉拔，在拉丝过程中，不断对细棒进行退火热处理，退火规范：650℃±10℃，保温20min，空冷，直至将其拉拔为目标尺寸焊丝。
氢对钛的力学性能，尤其是冲击韧性影响很大，所以必须在焊丝使用前，对其进行真空除氢处理。将焊丝酸洗烘干后，放入真空炉内除气。
制得的焊丝规格为Φ0.5mm~7mm。在使用焊丝之前，对其进行真空除氢处理。将焊丝酸洗烘干后，放入真空炉除气，酸洗溶液为HF+HNO3水溶液，在烘箱中至少3小时彻底烘干，真空除氢规范为：800℃±10℃，保温180min，随炉冷却。经热处理后，焊丝力学性能如表1所示。
表1 配方1热处理态接头力学性能
实施例2：
焊丝由0级海绵钛、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金和铝锡中间合金制成，各组分按重量百分比包括Al：5%，V：1%，Cr：1%，Zr：2%，Mo：2.5%，Sn：1.5%，O：0.08%，余量为Ti和不可避免的杂质。
将0级海绵钛、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金和铝锡中间合金分别按上述质量百分比配料压制电极，电极焊接采用真空电子束焊接，采用真空自耗电弧炉。
铸锭采用真空自耗电弧熔炼技术制备，预熔真空度应达到10-2Pa，为保证合金成分均匀，熔炼次数≥2次，将铸锭车皮后，去缩口，然后进行开坯锻造。
将铸锭去缩孔，车表皮后，进行开坯锻造，锻造规范为：加热温度1070℃±10℃，保温60min。
将开坯后的焊料自由锻造为Φ14mm的锻棒，自由锻规范为：加热温度1020℃±10℃，锻造比2:1，锻造火次20次，保温时间：30~60min。
将锻造后的棒材进行热轧制，轧制温度为950℃±5℃；为清除应力，使成分组织均匀，将自由锻造后的棒材进行退火热处理，规范：540℃±10℃，保温时间60min，空冷。然后在热轧机设备上将其轧为细棒材。
将热轧后的细棒材在拉丝设备上进行拉拔，在拉丝过程中，不断对细棒进行退火热处理，退火规范：650℃±10℃，保温20min，空冷，直至将其拉拔为目标尺寸焊丝。
氢对钛的力学性能，尤其是冲击韧性影响很大，所以必须在焊丝使用前，对其进行真空除氢处理。将焊丝酸洗烘干后，放入真空炉内除气。
制得的焊丝规格为Φ0.5mm~7mm。在使用焊丝之前，对其进行真空除氢处理。将焊丝酸洗烘干后，放入真空炉除气，酸洗溶液为HF+HNO3水溶液，在烘箱中至少3小时彻底烘干，真空除氢规范为：800℃±10℃，保温180min，随炉冷却。经热处理后，焊丝力学性能如表2所示。
表2 实施例2热处理态接头力学性能
由表1和表2可知，实施例1和实施例2制得的焊丝冲击吸收功KV2≥20J，抗拉强度Rm≥1010MPa，均能够满足载人潜水器用Ti62A合金专用配套焊丝的性能需求。
Claims (10)
1.一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝，其特征在于：由0级海绵钛、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金和铝锡中间合金制成，各组分按重量百分比包括Al：4.5-6.75%，V：0.5-1.5%，Cr：0.3-1.75%，Zr：1.5-2.5%，Mo：1.5-3.0%，Sn：0.5-2.0%，余量为Ti和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝，其特征在于：各组分按重量百分比包括Al：6%，V：1%，Cr：0.5%，Zr：2%，Mo：2%，Sn：1%，O：0.08%，余量为Ti和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝，其特征在于：各组分按重量百分比包括Al：5%，V：1%，Cr：1%，Zr：2%，Mo：2.5%，Sn：1.5%，O：0.08%，余量为Ti和不可避免的杂质。
4.权利要求1所述的一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：选取0级海绵钛、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金和铝锡中间合金作为原料进行混料处理，然后通过压制和组焊，得到自耗电极；
步骤二：对步骤一得到的自耗电极先后进行两次熔炼处理，得到二次铸锭；
步骤三：对步骤二得到的二次铸锭进行扒皮处理并切除冒口，然后经开坯锻造，得到坯料；
步骤四：对步骤三得到的坯料进行自由锻、轧制、拉丝、矫直和磨光处理，得到丝材；
步骤五：对步骤四得到的丝材进行真空退火，得到适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝。
5.根据权利要求4所述的一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝制备方法，其特征在于：步骤一中采用真空电子束焊接。
6.根据权利要求4所述的一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝制备方法，其特征在于：步骤四中，自由锻温度为950~1100℃，锻造比不大于2:1，锻造火次不小于20次，保温时间30~60min。
7.根据权利要求6所述的一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝制备方法，其特征在于：步骤四中，先对自由锻后的坯料进行锻后退火处理，再对锻后退火完成后的坯料进行轧制。
8.根据权利要求7所述的一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝制备方法，其特征在于：所述锻后退火处理的加热温度为540℃±10℃，保温时间不小于60min，然后进行空冷。
9.根据权利要求6所述的一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝制备方法，其特征在于：步骤四中，在对轧制后的坯料进行拉丝的过程中，同时对轧制后的坯料进行拉丝退火处理。
10.根据权利要求9所述的一种适用于载人潜水器用Ti62A合金的焊丝制备方法，其特征在于：所述拉丝退火处理的加热温度为650℃±10℃，保温时间不小于20min，然后进行空冷，保证在空冷结束前完成拉丝过程。
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