CN112643246A

CN112643246A - 一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN112643246A
Application number: CN202011271077.4A
Authority: CN
Inventors: 刘喜波; 朱乐乐; 刘茵琪; 李渤渤
Original assignee: Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co Ltd
Current assignee: Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co Ltd
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2021-04-13

Abstract

本发明公开了一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝及其制备方法，所述焊丝所含的化学成分及各化学成分的质量分数为：Al 5.0~6.5%，Nb 1.5~2.5%，Zr 1.5~3.5%，Mo 0.5~1.5%，Si 0.03~0.2%，O≤0.1%，H≤0.01%，N≤0.01%，其余为Ti及不可避免的杂质。其制备方法为：钛合金铸锭的制备→棒材的制备→棒材后处理→丝材制备，即得到所需焊丝。该焊丝可匹配ZTi700SR合金铸件补焊用途，补焊后接头强度不低于ZTi700SR合金母材的90%。

Description

一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及耐高温钛合金焊材领域，具体的说是一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝及其制备方法。

背景技术

高温钛合金主要是围绕航空发动机和航天飞行器的应用背景而进行开发的，而高超速飞行器触及了传统技术的极限，在大气层内飞行时，气动摩擦热量非常大、速度越高则基体温度越高，对材料与结构的选择是巨大难题，在技术方面仍有不少难关；为了高速飞行，高超速飞行器的材料首选钛合金，高温钛合金可满足高超速飞行器材料与结构的难题，新一代武器装备对耐600℃以上高温的钛合金材料提出了迫切需求。

ZTi700SR合金可制备高超速飞行器用大型复杂结构的圆筒型钛铸件，铸件尺寸大、结构复杂、最小壁厚薄(3mm)、薄厚不均匀且跨度大(3-25mm)，但是铸件制备时不可避免会存在着缺陷并需要补焊，焊丝的选配尚没有适宜的材料。参照国军标GJB 2896A-2007中Ⅰ类B级铸件要求，铸件在同一位置的补焊次数不允许超过两次，ZTi700SR合金铸件的补焊较困难，制备的圆筒铸件补焊后应力较大，补焊困难且补焊后易引起附加裂纹，需要进行配套焊接材料开发和补焊工艺研究来攻克难关。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝及其制备方法，该焊丝可匹配ZTi700SR合金铸件补焊用途，补焊后的接头强度不低于ZTi700SR合金母材的90％。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝，所述焊丝所含的化学成分及各化学成分的质量分数为：Al 5.0～6.5％，Nb 1.5～2.5％，Zr 1.5～3.5％，Mo 0.5～1.5％，Si 0.03～0.2％，O≤0.1％，H≤0.01％，N≤0.01％，其余为Ti及不可避免的杂质。

一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝的制备方法，包含如下步骤：

(1)、钛合金铸锭的制备：按照各化学成分的质量分数称取海绵钛、Al-Mo中间合金、Nb-Al中间合金、Al-Si中间合金、海绵锆和铝豆，然后进行混料，压制成电极，接着将电极组焊在一起，然后在真空自耗电弧炉中熔炼不少于2次，即制成钛合金铸锭，机加工去除钛合金铸锭表面的缺陷，然后探伤确认钛合金铸锭质量合格；

(2)、棒材的制备：将质量合格的钛合金铸锭进行不少于三火次锻造，每火次的锻造变形率不低于40％，各火次锻造后均需进行缺陷修磨，即得到棒材；

(3)、棒材的后处理：对棒材进行修整、退火处理、温轧和真空退火；

(4)、丝材的制备：对棒材进行多轧程冷拉拔处理，在每轧程的冷拉拔后均需进行酸洗和真空退火处理，即得到直径为1～5mm的焊丝。

进一步地，步骤(3)中的退火处理过程中，退火的温度为800～850℃，保温时间为0.5～3h。

进一步地，步骤(3)中，温轧温度300-700℃，温轧时轧程的总变形率不超过50％。

进一步地，步骤(3)中的真空退火处理和步骤(4)中的真空退火处理，退火的温度为800～900℃，保温时间为0.5～3h，真空度不超过0.133Pa。

进一步地，步骤(4)中，每轧程的首道次冷拉拔变形量不超过10％、第二道次冷拉拔变形率不超过15％、以后各道次冷拉拔的变形量逐渐减小，每轧程中冷拉拔的总变形率不超过40％。

焊丝中Al具有固溶强化作用，但含量高易引起合金的脆化，控制Al含量在中等范围(5-6.5％)。Nb是高熔点元素，可提高焊丝的抗氧化性能，适量添加1.5-2.5％Nb。Mo是β相稳定元素，可减缓钛铝合金相(α₂)形成，少量添加0.5-1.5％Mo可改善塑韧性。Si通过形成化合物来提高基体高温强度和蠕变性能，少量添加能显著改善合金的抗蠕变性能，但铸造和加工中Si易引起裂纹，因此少量添加0.03-0.2％Si。Zr是中性元素，能提高热强性，同时能促进硅化物的均匀、弥散析出，添加1.5～3.5％Zr。

杂质元素的控制更严格一些，控制O含量在0.1％以内，O作为杂质对焊丝的塑韧性的影响较大，含量高时不利于丝材成型；而且制备的丝材作为补焊材料时，补焊过程中虽然有氩气保护，但仍会出现氧化污染，每次焊接后焊缝中氧含量或氧当量约提高0.03％，影响焊缝的韧性和疲劳性能，因此，控制焊丝中氧含量在0.1％以下。

有益效果：

本发明制备的焊丝可作为650-750℃环境使用的ZTi700SR合金铸件补焊用焊接材料，熔敷性能和补焊性能良好，焊接系数不低于0.9，经1-2次补焊，可完全消除ZTi700SR合金铸件的铸造缺陷，且补焊后效果良好、性能合格。

附图说明

图1是采用实施例1制备的焊丝焊接ZTi700SR钛合金试板得到的焊缝处的微观组织图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

(1)、钛合金铸锭的制备：将海绵钛、Al-Mo中间合金、Nb-Al中间合金、Al-Si中间合金、海绵锆和铝豆先压制成电极，接着将电极组焊在一起，然后在真空自耗电弧炉中熔炼不少于2次，即制成铝合金铸锭；

(2)、棒材的制备：将步骤(1)制备的钛合金铸锭进行不少于三火次锻造，每火次的锻造变形率不低于40％，即得到棒材；

(3)、棒材的后处理：然后对步骤(2)制备的棒材进行修整、退火处理、温轧和真空退火；退火处理的退火温度为800～850℃，保温时间为0.5～3h；温轧温度300-700℃，温轧轧程的总变形率不超过50％；真空退火处理的退火温度为800～900℃，保温时间为0.5～3h，真空度不超过0.133Pa。

(4)、丝材的制备：对步骤(3)处理后的棒材进行多轧程冷拉拔，在各轧程冷拉拔后均需进行酸洗和真空退火处理，最终得到直径为1～5mm的焊丝，其中，每轧程的首道次冷拉拔的变形量不超过10％、第二道次冷拉拔变形率不超过15％、以后各道次冷拉拔的变形量逐渐减小，每一轧程中多道次冷拉拔的总变形率不超过40％。真空退火处理的退火温度为800～900℃，保温时间为0.5～3h，真空度不超过0.133Pa。制备焊丝时，根据棒材和丝材的直径合理分配冷拉拔轧程，每轧程的总变形量不超过40％。

焊丝表面应光滑、清洁，无毛刺、氧化皮、裂纹、起皮、斑痕和夹杂等缺陷，也不应有其他不良影响的杂质，焊丝表面可有不超过直径允许偏差的局部的划伤、擦伤、斑点和凹坑等。

使用本发明制备的焊丝对ZTi700SR铸件进行氩弧焊(TIG)焊接工艺时，采用超声波振动消除或减小焊接残余应力，提高焊接质量；对焊接区域的处理，首先去除和打磨铸件表面缺陷，一般将普通缺陷修磨成近圆形，裂纹缺陷加工修磨成不低于30°的V型坡口、缺陷根部修磨半径不小于2mm，去除缺陷坡口及其周围20mm的表面氧化层，接着用干净白绸布加丙酮清洗干净，然后尽快补焊，一般采用自下而上逐层逐道叠加压道补焊，填充焊每层熔敷金属厚度不超过2mm、层间温度不超过50℃；每层焊缝之间采用超声消应设备进行消应力处理；补焊结束后进行真空退火消除应力，真空退火温度500～750℃，真空度优于0.133Pa。

实施例1

一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝，所述焊丝所含的化学成分及各化学成分的质量分数为：Al 5.72％，Nb 2.31％，Zr 2.03％，Mo 0.953％，Si 0.14％，O 0.081％，H0.0067％，N≤0.01％，其余为Ti及不可避免的杂质。

(1)、钛合金铸锭的制备：根据配比称取0A级小颗粒海绵钛、Al-Mo中间合金、Nb-Al中间合金、Al-Si中间合金、海绵锆和铝豆，进行混料，用压机压制成电极，接着将电极组焊在一起，然后在真空自耗电弧炉中熔炼2次，制成Φ290mm的钛合金铸锭，然后机加工去除表面缺陷，去除表面缺陷后钛合金铸锭的直径为Φ284mm，探伤确认铸锭质量合格；

(2)、棒材的制备：将步骤(1)制备的钛合金铸锭进行锻造，一火1050℃加热保温后锻造，变形率约55％，锻造后为Φ127的近圆柱形，扒皮修磨缺陷后铸锭直径约123mm，二火1020℃保温后，锻造变形率约60％，锻后棒材约为Φ49mm近圆柱形，修磨缺陷后铸锭直径约为47mm；三火1000℃保温，进行锻造和整形后棒材约为Φ23mm圆柱形，锻造变形率约50％；即得到棒材。

(3)、棒材的后处理：对三火锻造的棒材进行修磨、精整、退火处理(850℃×1h)，进行温轧(600℃)，直径为12mm，变形率约47％，然后进行真空退火(850℃×0.5h，真空度不超过0.133Pa)。

(4)、丝材的制备：进行焊丝拉拔，第一轧程拉拔后丝材直径约7.8mm，丝材酸洗处理后，进行850℃×1h真空退火；然后进行第二轧程拉拔，丝材直径约4.8mm，丝材进行酸洗处理，然后850℃×0.5h真空退火；接着进行第三轧程拉拔，丝材直径约3mm，丝材进行酸洗处理，获得直径3mm丝材；将部分(长度约占总长度的35％)直径为3mm的丝材进行850℃×1h真空退火，接着进行第四轧程拉拔，获得直径2mm的丝材。对Φ3mm和Φ2mm丝材进行酸洗处理后，进行850℃×1h真空退火，对焊丝进行检查、测试和整理，合格品为成品，按要求进行包装。

对Φ3mm焊丝进行室温和高温力学性能测试，结果见表1。

表1 Φ3mm焊丝在不同温度下的力学性能

由表1可知，该焊丝的室温强塑性匹配性良好，在600℃及其以上温度具有良好的高温性能。

使用Φ3mm焊丝对铸造ZTi700SR合金试板进行焊接测试，图1是焊缝附近微观形貌，由图1可知，可以看到接头内部有着均匀细小的网篮组织，不同成形层之间结合良好，未观察到未熔合与气孔类缺陷的产生，成形质量良好。焊缝的力学性能测试结果如表2所示。

表2焊缝的力学性能

由表2可知，室温接头强度超过母材强度的0.95以上，满足焊接系数≥90％的要求；试板焊缝在650-750℃时也有良好性能，高温焊接系数在0.85以上，说明了实施例1制备的焊丝适用于ZTi700SR合金铸件的补焊。

实施例2

一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝，所述焊丝所含的化学成分及各化学成分的质量分数为：Al 6.05％，Nb 1.83％，Zr 1.98％，Mo 1.28％，Si 0.062％，O 0.076％，H0.0074％，N≤0.01％，其余为Ti及不可避免的杂质。

(1)、同实施例1步骤(1)；

(2)、同实施例1步骤(2)；

(3)、同实施例1步骤(3)；

(4)、丝材的制备：进行焊丝拉拔，第一轧程拉拔后丝材直径约7.5mm，丝材酸洗处理后，进行850℃×1h真空退火；然后进行第二轧程拉拔，丝材直径约4.8mm，丝材进行酸洗处理，然后850℃×0.5h真空退火；接着进行第三轧程拉拔，丝材直径约3mm，丝材进行酸洗处理后，进行850℃×0.5h真空退火，接着进行第四轧程拉拔，丝材直径约2mm，丝材进行酸洗处理，然后850℃×0.5h真空退火；取部分(长度约占总长度的25％)直径2mm的丝材进行第五轧程拉拔，丝材直径为1.2mm。对Φ2mm和Φ1.2mm丝材进行酸洗处理后，进行850℃×1h真空退火，对焊丝进行检查、测试和整理，合格品为成品，按要求进行包装。

对Φ2mm焊丝进行室温和高温力学性能测试，结果见表3。

表3 Φ2mm焊丝在不同温度下的力学性能

由表3可知，该焊丝在室温下具有良好的抗拉强度和屈服强度，在高温时(600～750℃)也具有良好的性能。

ZTi700SR合金试板进行V型缺口加工，使用实施例2制备的Φ2mm焊丝进行层焊，钨极氩弧焊接，焊接过程中应用超声消应力措施，焊接板材性能见表4。

表4铸造ZTi700SR合金试板对焊接头的力学性能

由表4可知，室温焊接系数超过0.9，高温(650-750℃)焊接系数在0.84以上，焊接接头性能良好，说明了实施例2制备的焊丝适用于ZTi700SR合金铸件的补焊。

用ZTi700SR合金制备了直径700mm以上、长度1500mm以上的大型复杂圆柱型耐高温钛铸件，使用本发明制备的焊丝对ZTi700SR铸件补焊，效果良好，外观合格，同一区域补焊不超过2次可消除缺陷，渗透和探伤合格，满足GJB2896A-2007中I类B级铸件要求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝，其特征在于，焊丝所含的化学成分及各化学成分的质量分数为：Al 5.0~6.5%，Nb 1.5~2.5%，Zr 1.5~3.5%，Mo 0.5~1.5%，Si 0.03~0.2%，O≤0.1%，H≤0.01%，N≤0.01%，其余为Ti及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：

（1）、钛合金铸锭的制备：按照各化学成分的质量分数称取海绵钛、Al-Mo中间合金、Nb-Al中间合金、Al-Si中间合金、海绵锆和铝豆，然后进行混料，压制成电极，接着将电极组焊在一起，然后在真空自耗电弧炉中熔炼不少于2次，即制成钛合金铸锭，机加工去除钛合金铸锭表面的缺陷，然后探伤确认钛合金铸锭质量合格；

（2）、棒材的制备：将质量合格的钛合金铸锭进行不少于三火次锻造，每火次的锻造变形率不低于40%，各火次锻造后均需进行缺陷修磨，即得到棒材；

（3）、棒材的后处理：对棒材进行修整、退火处理、温轧和真空退火；

（4）、丝材的制备：对棒材进行多轧程的冷拉拔，每轧程冷拉拔变形后均需进行酸洗和真空退火处理，最终得到直径为1~5mm的焊丝。

3.根据权利要求2所述的一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝的制备方法，其特征在于，步骤（3）中的退火处理过程中，退火的温度为800~850℃，保温时间为0.5~3h。

4.根据权利要求2所述的一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，温轧温度300-700℃，温轧轧程的总变形率不超过50%。

5.根据权利要求2所述的一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝的制备方法，其特征在于，步骤（3）中的真空退火处理和步骤（4）中的真空退火处理，退火温度为800~900℃，保温时间为0.5~3h，真空度不超过0.133Pa。

6.根据权利要求2所述的一种ZTi700SR钛合金铸件补焊用焊丝的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，每个轧程中首道次冷拉拔的变形量不超过10%、第二道次冷拉拔变形率不超过15%、以后各道次冷拉拔的变形量逐渐减小，每轧程冷拉拔的总变形率不超过40%。