CN116180188A - 一种修复钛合金电子束焊接接头性能的方法 - Google Patents

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吴鹏
马英鹤
杨建国
郑文健
任森栋
贺艳明
李华鑫
闾川阳
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    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
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Abstract

本发明公开了一种修复钛合金电子束焊接接头性能的方法，首先对钛合金使用电子束焊机进行焊接工艺，再将焊接完成后试样进行微弧氧化处理，在整个试件上获得一层陶瓷膜。通过对焊接后的试样进行微弧氧化处理，可以很好的修复钛合金电子束焊接接头的力学和耐蚀性能，二者共同作用可以改善焊接接头的抗应力腐蚀能力。本发明的方法工艺环保且可重复性高，微弧氧化操作简单，所制备的涂层为改善钛合金的焊接接头的性能开辟了一种新的途径。

Description

一种修复钛合金电子束焊接接头性能的方法
技术领域
本发明属于钛合金表面处理与防护技术领域，具体涉及一种修复钛合金电子束焊接接头性能的方法。
背景技术
比强度高、密度较小的钛合金与不锈钢、铝合金等耐蚀材料相比，拥有更好的耐点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和耐均匀腐蚀性能。而且在高速流动的海水中，其耐腐蚀性能依旧保持良好。钛合金还是唯一近年来，在海水和空气中的疲劳极限几乎无显著差别的高强度材料。所以钛合金被称为海洋金属。钛合金在深海装备上的应用与日俱增，并且逐渐由零部件向关键结构方向发展，在其使用过程中焊接是一道必不可少的连接工艺。
材料的腐蚀性能主要取决于成分、组织、显微结构。在实际焊接过程中，材料经历了快速升温、快速降温的过程，而此过程对材料的组织性能产生的变化非常复杂，导致热影响区的组织成分变化大，成为整个接头非常薄弱区，接头的强度明显降低，同时导致组织的不均匀性，电化学腐蚀倾向也会提高，而且在焊接过程中，在材料内部较大的应力无法释放，在外力的作用下，极易导致接头的应力腐蚀开裂，造成工件失效（SCC）。
微弧氧化（MAO）技术是通过在电解液中发生微等离子体击穿，产生火花放电，在钛合金表面原位生长出与基体结合良好的陶瓷涂层，从而改善性能。
发明内容
针对上述问题情况，本发明提供了一种修复钛合金电子束焊接接头性能的方法，通过微弧氧化技术在钛合金表面原位生长出与基体结合良好的陶瓷涂层，从而改善性能，解决现有技术中存在的上述问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种修复钛合金电子束焊接接头性能的方法，包括如下步骤：
步骤1：对钛合金基材依次用600-1500#的水砂纸进行打磨，随后进行抛光处理，对抛光后的钛合金试样进行酸洗，腐蚀液为HF：HNO3:H2O，比例为1：3：16。酸洗时间20s，随后用水冲洗，然后将基体放到超声波清洗仪中清洗干净后吹干；
步骤2：将处理好的钛合金基体放到电子束真空腔室内，设置好电子束的参数对试样进行焊接，处理后用超声波清洗仪清洗吹干；
步骤3：在不锈钢槽中配置好电解液，以不锈钢槽作为阴极，电子束焊接后的钛合金，采用FL7-MAO30G微弧氧化电源设备进行微弧氧化处理，处理结束后用蒸馏水冲洗干净，吹干。
进一步的，所述电子束焊接参数为：加速电压65KV，焊接束流10mA，聚焦电流464mA，焊接速度300mm/min。
进一步的，所述电解液成分配置：将硅酸钠10-15g/L，磷酸钠5-10g/L，氢氧化钠1-5g/L，二氧化硅1-2 g/L，依次加入到蒸馏水中，搅拌均匀。
进一步的，所述微弧氧化电源设备参数为：采用恒流模式，正向电流密度12A/dm2，负向电流密度3 A/dm2，占空比20%，电源频率300HZ，处理时间20min。
进一步的，试样进行微弧氧化的过程中，保持溶液的温度在40-50℃之间。
在进行电子束焊接时，钛合金焊接接头由于受热循环作用，焊缝区域发生相变生成针状α'马氏体，该组织处于不稳定状态，容易发生腐蚀行为，同时焊接接头各区域组织的不均匀性会导致电化学腐蚀，且由于焊接接头位置残余应力的存在，在海水中Cl-作用下极其容易发生应力腐蚀行为。焊接接头自腐蚀电流密度为1.14 x10-5相比母材7 x10-6降低明显。
通过本发明技术方案，经过微弧氧化后接头组织不均匀性得到改善，自腐蚀腐蚀电流密度1.5x10-7较基材降低了2个数量级，且钝化区间增加，钝化电流降低，耐蚀性能得到很大的提升。同时制备得涂层与基体结合良好，孔洞微裂纹相对较少，力学性能优异。微弧氧化涂层良好的力学性能和耐腐蚀能力，二者共同作用明显改善了焊接接头的应力腐蚀行为，可以在很大的应力状态下仍然保持良好防护性能。本发明所使用的技术环保无污染，操作简单方便，属于绿色制造技术。
附图说明
图1中的图abcd是对电子束焊接接头进行微弧氧化涂层制备后不同区域表面微观形貌；
图2中的图abcd是对电子束焊接接头进行微弧氧化涂层制备后不同区域表面截面形貌；
图3是钛合金母材、钛合金焊接接头、钛合金焊接接头-微弧氧化在空气和3.5wt%.NaCl溶液中拉伸性能图；
图4是钛合金母材、钛合金焊接接头、钛合金焊接接头-微弧氧化极化曲线图；
图5是钛合金焊接接头、钛合金焊接接头-微弧氧化应力腐蚀微观形貌图。
具体实施方式
下面通过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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种修复钛合金电子束焊接接头性能的方法，按以下步骤进行：
步骤1：对钛合金基材依次用600-1500#的水砂纸进行打磨，随后进行抛光处理，对抛光后的钛合金试样进行酸洗，腐蚀液为HF：HNO3:H2O，比例为1：3：16。酸洗时间20s，随后用水冲洗。然后将基体放到超声波清洗仪中清洗干净后吹干；
步骤2：将处理好的钛合金基体放到电子束真空腔室内，设置好电子束的参数：加速电压65KV，焊接束流10mA，聚焦电流264mA，焊接速度300mm/min。对试样进行焊接，处理后用超声波清洗仪清洗吹干；
步骤3：在不锈钢槽中配置好电解液，将硅酸钠12g/L，磷酸钠10g/L，氢氧化钠5g/L，二氧化硅2 g/L，依次加入到蒸馏水中，搅拌均匀。以不锈钢槽作为阴极，电子束焊接后的钛合金作为阳极，采用FL7-MAO30G微弧氧化电源设备进行微弧氧化处理，采用恒流模式，正向电流12A，负向电压3A，占空比20%，电源频率100HZ，处理时间20min。试样进行微弧氧化的过程中，保持溶液的温度在45℃。处理结束后用蒸馏水冲洗干净，吹干。
如图1a-d所示，在TC4钛合金表面制备的微弧氧化涂层具有多孔，图1a-d分别为钛合金母材、热处理区、熔合线、焊缝区域的涂层形貌。图2为经过微弧氧化处理后的钛合金截面形貌，涂层厚度约为10μm，分布均匀，与基体结合良好，无明显缺陷。
图3 a-b为钛合金母材、钛合金焊接接头、焊接接头-微弧氧化分别在空气和3.5wt.%NaCl溶液中的拉伸性能图，力学性能提升。
所制备的涂层的结果：在空气介质和3.5wt.%NaCl溶液中进行拉伸实验，焊接接头相比母材抗拉强度下降明显，在制备涂层后，焊接接头抗拉强度改善明显，在3.5wt.%NaCl中，制备涂层得焊接接头抗拉强度最大。在制备涂层后，焊接接头抗拉强度明显改善。
图4所示为钛合金母材、钛合金焊接接头、焊接接头-微弧氧化极化曲线图，耐蚀性明显提高。
所制备的涂层的结果：在3.5wt%.NaCl溶液中进行动电位扫描测试，得到3种试样的极化曲线，母材的自腐蚀电位为-0.305V，自腐蚀电流密度为7 x10-6，钛合金焊接接头自腐蚀电位为-0.734V,低于基材的-0.305V，同时自腐蚀电流密度较基材的7 x10-6提高到1.14x10-5；耐蚀性降低。经过微弧氧化处理后的腐蚀腐蚀电流密度1.5x10-7较焊接接头降低了2个数量级，钝化现象明显，耐蚀性能得到很大的提升。
对焊接后的钛合金进行微弧氧化处理可以有效改善其抗应力腐蚀能力，图5为应力腐蚀后表面形貌图。图5中a和b为焊接接头在恒应力下产生的裂纹，c和d为制备微弧氧化涂层后的焊接接头，可以看出来，在经历长时间应力腐蚀，涂层对焊接接头保护良好。
所制备的涂层的结果：在2.9M NaCl和0.1M HCl混合溶液中进行应力腐蚀实验，施加应力800Mpa，测试时间30d，30d后焊接接头出现裂纹，制备涂层的焊接接头疏松层有所脱落，致密层依旧存在，对焊接接头形成了明显防护，抗应力腐蚀性能得到提高。
综上，制备涂层后的焊接接头存在两方面优点：一方面涂层孔隙率相对较小，与涂层结合紧密，无明显缺陷，同时涂层的耐蚀性能优异，表面、截面形貌及耐蚀性能见图1、图2和图4。另一方面，涂层在空气和3.5wt.%NaCl介质中抗拉强度和屈服强度较焊接接头改善明显。两方面因素共同作用改善了焊接接头的抗应力腐蚀性能，在高应力测试环境下应力腐蚀微观形貌图如图5所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种修复钛合金电子束焊接接头性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：对钛合金基材用水砂纸打磨后抛光处理，之后进行酸洗，随后用水冲洗，再将钛合金基材放到超声波清洗仪中清洗干净后吹干；
S2: 将处理好的钛合金基材放入电子束真空腔室内，设置好电子束参数并连接，进行电子束焊接，处理后用超声波清洗仪清洗吹干；
S3：在不锈钢槽中配置好电解液，以不锈钢槽作为阴极，电子束焊接后的钛合金基材作为阳极，采用微弧氧化电源设备进行微弧氧化处理，在焊接接头表面获得微弧氧化涂层，处理结束后用蒸馏水冲洗干净，吹干。
2.根据权利要求1所述的一种修复钛合金电子束焊接接头性能的方法，其特征在于，酸洗时腐蚀液组成为HF：HNO3:H2O=1：3：16，酸洗时间20-30s。
3.根据权利要求1所述的一种修复钛合金电子束焊接接头性能的方法，其特征在于，电子束焊接参数为：加速电压65KV，焊接束流10mA，聚焦电流264mA，焊接速度300mm/min。
4.根据权利要求1所述的一种修复钛合金电子束焊接接头性能的方法，其特征在于，所述电解液成分配置：将硅酸钠10-15 g/L，磷酸钠5-10 g/L，氢氧化钠1-5 g/L，二氧化硅1-2g/L依次加入到蒸馏水中，搅拌均匀。
5.根据权利要求1所述的一种修复钛合金电子束焊接接头性能的方法，其特征在于，所述微弧氧化电源设备参数为：采用恒流模式，正向电流密度12 A/dm2，负向电流密度3 A/dm2，占空比20%，电源频率300HZ，处理时间20min。
6.根据权利要求1所述的一种修复钛合金电子束焊接接头性能的方法，其特征在于，试样进行微弧氧化的过程中，保持溶液的温度为40-50℃。
7.根据权利要求1所述的一种修复钛合金电子束焊接接头性能的方法，其特征在于，所述微弧氧化处理得到的涂层抗拉性能优异，提升了材料的抗应力腐蚀能力，在高应力状态下，微弧氧化涂层仍然具有良好的防护能力。
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