CN113245749A

CN113245749A - 一种用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝

Info

Publication number: CN113245749A
Application number: CN202110774990.4A
Authority: CN
Inventors: 王高见; 刘丽; 徐轶; 康丹丹; 万洪程
Original assignee: Sichuan Xiye New Material Co ltd
Current assignee: Sichuan Xiye New Material Co ltd
Priority date: 2021-07-09
Filing date: 2021-07-09
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2041-07-09
Also published as: CN113245749B

Abstract

本发明涉及焊接材料技术领域，公开了一种用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝，焊丝的化学组分按重量百分比计，包括C:0.03~0.10%，Al:5.5~7.0%，V:3.5~4.5%，B:0.10~0.20%，O:0.03~0.12%，N≤0.012%，H≤0.005%，余量为Ti以及不可避免的杂质。本申请的钛合金焊丝，熔体抗拉强度达到900MPa以上，延伸率达到8%以上，强度各向异性指数≤2.5%，延伸率各向异性指数≤8.0%，满足TC4电弧熔丝增材制造及焊接要求。

Description

一种用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体地说，涉及用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝。

背景技术

钛合金由于其具有比强度大、耐腐蚀、耐高低温等优点，广泛应用于航空航天、舰船制造、石油化工、海洋工程及生物医学等领域。焊接作为材料连接的关键制造工艺，是钛合金结构制备技术研究的重点。近年来，随着增材制造技术的不断发展，钛合金增材制造的应用需求日益迫切，相比于粉末增材制造，电弧熔丝增材制造材料利用率高、无污染、成本低、更易于制造，受到越来越多的关注。TC4是高端装备最为常用的钛合金材料，其电弧增材制造技术及焊接技术成为研究热点。

电弧熔丝增材制造是采用焊接电弧作为热源将金属丝材熔化逐层沉积成型，其熔体冶金机理与焊接工艺相似，钛合金熔体在经历非线性的焊接热循环过程中，凝固的晶体生长速率高于成核速率，使熔体易于形成粗大的晶粒组织；对于复杂大尺寸结构件，其晶粒尺寸更是急剧增大，这会严重恶化结构件的机械性能如强度、塑韧性、耐疲劳性等；对于电弧熔丝增材制造还会带来结构件严重的各向异性。同时，焊接热过程还易出现焊接缺陷，这会降低结构件完整性及结构可靠性。

因此，需要开发一种微合金化细晶粒钛合金焊丝改善TC4钛合金焊接及电弧熔丝增材制造熔体微观结构、最小化缺陷，最终改善熔体整体机械性能。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝，熔体抗拉强度达到900MPa以上，延伸率达到8%以上，强度各向异性指数≤2.5%，延伸率各向异性指数≤8.0%，满足TC4电弧熔丝增材制造及焊接要求。

具体内容如下：

本发明提供了一种用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝，焊丝的化学组分按重量百分比计，包括C:0.03~0.10%，Al:5.5~7.0%，V:3.5~4.5%，B:0.10~0.20%，O:0.03~0.12%，N≤0.012%，H≤0.005%，余量为Ti以及不可避免的杂质。

本发明在现有TC4合金基础上，优化Al、V合金范围，通过固溶强化、细晶强化保证熔体基础强度；增加C含量，促成TiC形核进一步提高强度及延展性；添加B元素，生成针状TiB颗粒细化晶粒提高强塑性，TiB颗粒占据原位晶界相减小各向异性，清除间隙元素的能力降低熔体缺陷；同时，合理控制间隙元素O、N、H含量用以提高低应变脆性敏感性、降低熔体缺陷，最终有效提高熔体综合力学性能。

本发明提供的焊条药皮中各成分的主要作用如下：

（C:0.03~0.10%）

碳是晶粒细化剂，添加的碳可以降低凝固温度，提供使β晶粒尺寸细化的组织过冷和生长限制。同时，形成的TiC可以作为成核相，进而提高平均拉伸强度和延展性。超过0.10%的碳含量，会形成大的碳化物，从而严重降低了拉伸延展性。因此，将C含量控制在0.03~0.10%。

（Al:5.5~7.0%）

铝是常用的α稳定元素，它是通过固溶强化α相提高熔体强度，铝含量超过7.0%后，易形成脆性的Ti₃Al相。

（V:3.5~4.5%）

钒是同晶型β稳定元素，既能提高强度又能改善塑性，它是通过减少α钛晶格c/a轴的比值而提高α相的塑性变形能力。此外，V还能抑制α2超结构相的形成，避免在长时间使用过程中出现合金脆化。因而，将V含量控制在3.5~4.5%。

（B:0.10~0.20%）

微量硼元素的添加，使钛合金高温形核过程中初始β晶粒受硼元素生长限制作用而变得更窄，β晶粒的平均宽度可以减少约一个数量级，有效细化钛合金晶粒，提高强度。同时，硼的添加能与钛在初始β晶界处原位生成针状TiB颗粒，坚硬的TiB颗粒能够提高强度；晶界α相的消失，强度各向异性减小；并且TiB颗粒还具有清除间隙元素的能力。当硼含量小于0.1%时，析出TiB颗粒少，上述作用不明显；大于0.2%时，针状TiB颗粒的长径比变得过高，这将容易在此处发生应力集中而形成微孔，导致TiB相破裂并与基体分离，最终降低钛合金塑韧性。因此，将B含量控制在0.10~0.20%。

（O:0.03~0.12%）

（N≤0.012%）

（H≤0.005%）

随着间隙元素O、N、H含量的增加会导致强度的提高，但在低温下，特别是当处于苛刻的应力系统中时，高间隙元素含量的焊丝熔体表现出低应变脆性敏感性；并且随着间隙元素含量的增加，焊丝熔体的缺口敏感性也增加。同时，氢含量和包括氧含量在内的平衡成分之间存在一种相互制约的关系，在氢含量较低时，还要匹配一定的氧含量才会降低其对持久载荷裂纹敏感。因此，将O含量控制在0.03~0.12%，N含量≤0.012%，H含量≤0.005%。

本发明提供了电弧熔丝增材制造用钛合金焊丝的制备方法，包括如下步骤，

按焊丝的化学组分称取原料，经真空自耗电极电弧熔炼、锻造、热轧、退火、去氧化皮、拉拔、刮削、层绕、包装工序处理，加工得到TIG焊丝。

本发明提供了电弧熔丝增材制造用钛合金焊丝的焊接方法，包括如下步骤，采用纯氩气为保护气体，焊接电流为140~160A，电压为14~16V，焊接速度0.5~0.6cm/s。

本发明达到的有益效果：

本发明的焊丝熔体具有高强度、低各向异性、细晶粒低缺陷等特征。试验测定，本发明的钛合金焊丝，其熔体抗拉强度达到900MPa以上，延伸率达到8%以上，强度各向异性指数≤2.5%，延伸率各向异性指数≤8.0%，能够满足TC4电弧熔丝增材制造及焊接要求。

附图说明

图1为实施例1的钛合金焊丝经焊接得到的熔敷金属的微观结构图；

图2为实施例2的钛合金焊丝经焊接得到的熔敷金属的微观结构图；

图3为实施例3的钛合金焊丝经焊接得到的熔敷金属的微观结构图；

图4为实施例4的钛合金焊丝经焊接得到的熔敷金属的微观结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例

实施例1-4

用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝，其焊丝的各化学成分见表1。

其制备方法为，按焊丝的化学组分称取原料，经真空自耗电极电弧熔炼、锻造、热轧、退火、去氧化皮、拉拔、刮削、层绕、包装工序处理，加工得到TIG焊丝。

其焊接方法为，采用纯氩气为保护气体，焊接电流为150A，电压为16V，焊接速度0.6cm/s。

试验例

以实施例1-4中的钛合金焊丝经焊接得到熔敷金属进行力学性能测定。实验结果如表2所示。

表2中，

R1为纵向抗拉强度和横向抗拉强度中数值较大的，R0为纵向抗拉强度和横向抗拉强度中数值较小的。

A1为纵向延伸率和横向延伸率中数值较大的，A0为纵向延伸率和横向延伸率中数值较小的。

以实施例1-4中的钛合金焊丝经焊接得到的熔敷金属进行3000倍微观组织形貌观察，其微观结构图如图1-4所示。

由图1-4可以看出，实施例1-4得到的焊丝熔体均获得均匀细小的针状α相组织。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝，其特征在于，焊丝的化学组分按重量百分比计，包括C:0.03~0.10%，Al:5.5~7.0%，V:3.5~4.5%，B:0.10~0.20%，O:0.03~0.12%，N≤0.012%，H≤0.005%，余量为Ti以及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝，其特征在于，焊丝的化学组分按重量百分比计，包括C:0.03~0.06%，Al:6.0~7.0%，V:3.8~4.5%，B:0.10~0.15%，O:0.05~0.12%，N≤0.010%，H≤0.003%，余量为Ti以及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝，其特征在于，焊丝的化学组分按重量百分比计，包括C:0.06~0.10%，Al:6.0~7.0%，V:4.0~4.5%，B:0.10~0.18%，O:0.05~0.12%，N≤0.010%，H≤0.003%，余量为Ti以及不可避免的杂质。

4.根据权利要求1或3所述的用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝，其特征在于，焊丝的化学组分按重量百分比计，包括C:0.06~0.08%，Al:6.5~7.0%，V:4.0~4.5%，B:0.10~0.18%，O:0.05~0.12%，N≤0.010%，H≤0.003%，余量为Ti以及不可避免的杂质。