CN116511757B - 一种用于钢与高熵合金异种焊接的焊丝材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于钢与高熵合金异种焊接的焊丝材料及其制备方法。所述焊丝材料的化学组成包括主要元素和次要元素，主要元素为Al、Cu、Fe、Mn、Ni、Cr、Co中的4～6种，次要元素包括0～5种；所述焊丝材料的化学组成中每种主要元素的原子百分含量≥5％；每种次要元素的原子百分含量＜5％。本发明基于被焊接材料的合金成分设计焊丝成分，制备成药芯焊丝或绞股丝材，实现焊缝的高熵化，且能得到具有优良强度和延展性的焊缝，为钢与高熵合金低成本、高效率的电弧焊接提供解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于钢与高熵合金异种焊接的焊丝材料及其制备方法，属于焊接技术领域。
背景技术
二十一世纪初，Cantor和Yeh等学者突破“混乱原理”分别合成了具有简单晶体结构的单相多主元合金。该合金包含4种或4种以上的主要合金元素，按照等摩尔或近等摩尔比制成的一类新型合金。由于这类合金具有较高的构型熵，被命名为高熵合金。高熵合金不仅具有高熵效应，同时还具有一些在传统合金中较难发现的特性，比如晶格畸变、缓慢扩散等特性。这些特性使高熵合金表现出高硬度、耐磨损和耐腐蚀性等优异的性能，在石油化工、航空航天和核电领域显示出巨大的应用潜力。
采用高熵合金与钢制备复合制件，不仅能够具有高熵合金的优异性能，也能够减少高熵合金材料的消耗，且能减少生产大尺寸高熵合金部件所需装备工艺要求。对于大尺寸部件，采用焊接方式将高熵合金与钢材连接起来，是基于成本和能效综合考虑下，制备高熵合金与钢复合部件的主要解决方案之一。其中，由于气体保护焊的操作环境适应性强且成本低，在高熵合金连接的工业生产方面应用较广。在焊接过程中，焊丝材料的成分与焊接接头的力学性能密切相关，在涉及到钢与高熵合金异种材料焊接的情况下，基于严格的热输入量和焊后热处理工艺参数控制，探索合理的焊丝材料成分，仍是当前焊接技术领域的重要研发方向。
发明内容
为了优化钢与高熵合金异种材料焊接接头的显微组织和力学性能，本发明提供一种用于钢与高熵合金异种焊接的焊丝材料及其制备方法。基于被焊接材料的合金成分设计焊丝成分，制备成药芯焊丝或绞股丝材，实现焊缝的高熵化，且能得到具有优良强度和延展性的焊缝，为钢与高熵合金低成本、高效率的电弧焊接提供解决方案。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于钢与高熵合金异种焊接的焊丝材料，所述焊丝材料的化学组成包括主要元素和次要元素，主要元素为Al、Cu、Fe、Mn、Ni、Cr、Co中的4～6种，次要元素包括0～5种；所述焊丝材料的化学组成中每种主要元素的原子百分含量≥5％；每种次要元素的原子百分含量＜5％。
所述钢为低碳钢、轴承钢、不锈钢或马氏体时效钢；所述高熵合金为Al-Cu-Fe-Mn-Ni-Cr、Al-Fe-Cu-Mn-Ni、Al-Fe-Cu-Co-Ni、Al-Fe-Cr-Ni、Al-Fe-Cu-Cr-Ni、Al-Cr-Co-Ni、Al-Cu-Fe-Ni-Ti、Al-Cu-Cr-Ni-Mn、Al-Cu-Co-Ni-Ti、Al-Fe-Cu-Co-Cr、Al-Cu-Co-Cr-Mn或Al-Cu-Ni-Ti-Mn合金。
所述高熵合金中每种金属元素的原子百分含量均为5％～35％；所述焊丝材料的化学组成中，每种主要元素与至少一种其他主要元素的原子百分含量相差不超过20％。
所述焊丝材料的化学组成中主要元素包括Fe，Fe的原子百分含量为20％～40％，其他主要元素的原子百分含量均≤35％；
所述次要元素为Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、W、Ta、La、Ce中的任1种或2～5种的混合。
根据焊接钢的元素成分及含量确定焊丝材料的主要元素组成及含量；
若焊接钢中除Fe之外的某元素A的原子百分含量：3.5％≤A含量≤10％，则焊丝材料的主要元素包含所述元素A，且元素A在焊丝材料中的原子百分含量≥12％；
若焊接钢中除Fe之外的某元素A的原子百分含量＞10％，则焊丝材料的主要元素包含所述元素A，且元素A在焊丝材料中的原子百分含量≥13％。
根据焊接的高熵合金的元素成分及含量确定焊丝材料的元素组成及含量；
所述焊丝材料组成中包括高熵合金中的两种及两种以上金属元素，所述两种及两种以上金属元素按高熵合金中的原子含量由高到低依次选择；且每种金属元素在焊丝材料中的原子百分含量为该金属元素在高熵合金中的60％～100％。
所述焊丝材料的主要元素包含Fe和Cr，这两种元素的原子百分含量的差值≤16％；
或，所述焊丝材料的主要元素包含Fe和Ni，这两种元素的原子百分含量的差值≤16％；
或，所述焊丝材料的主要元素包含Fe和Al，这两种元素的原子百分含量的差值≤16％；
或，所述焊丝材料的主要元素包含Cr和Ni，这两种元素的原子百分含量的差值≤8％；
或，所述焊丝材料的主要元素包含Cr和Al，这两种元素的原子百分含量的差值≤8％；
或，所述焊丝材料的主要元素包含Ni和Al，这两种元素的原子百分含量的差值≤8％；
或，所述焊丝材料的主要元素包含Cr、Ni和Al，这三种元素中任两种元素的原子百分含量的差值≤6％。
将焊丝材料制成药芯焊丝或绞股丝材。
所述焊丝材料制成绞股丝材时，若焊丝材料的化学组成包括主要元素Al、Ni或Cu中的任一种，且该主要元素在焊丝材料中的原子百分含量≥20％，则引入稀土元素作为焊丝材料的次要元素；
将所述原子百分含量≥20％的主要元素Al、Ni或Cu，分别与引入的稀土元素制成Al-RE、Ni-RE或Cu-RE二元金属丝，要求稀土在每种二元金属丝中的质量含量不高于0.1％，进而制备成绞股丝材；绞股丝材中稀土质量含量不高于绞股丝材总质量的0.01％；所述稀土为La或Ce单质，或者La与Ce的混合物。
所述焊丝材料的制备方法，将焊丝材料制备成药芯焊丝时，其制备方法为：
(1)药芯焊丝包括外皮和药芯，采用合金带作为药芯焊丝的外皮，药芯成分基于焊丝材料成分，减去外皮合金带中合金元素的含量得到；将药芯成分的原子百分含量换算成质量百分含量，进而称取各金属粉末，混合，要求金属粉末的纯度不小于99.9％，粒度为80～100目；
(2)将混合金属粉末烘干，烘干温度80～120℃，烘干时间1～2小时；然后混合均匀；
(3)采用焊丝成型设备将金属粉末送入U形外皮钢带，经轧制和拉拔制成药芯焊丝，得到的药芯焊丝直径为1.2～3.0mm。
本发明有益效果：
由于钢与高熵合金的异种焊接接头涉及到较大范围的成分过渡，因此本发明通过详细的成分配比限定规则，制备出适用于较大范围钢种和高熵合金体系之间电弧焊接的焊接材料。同时，采用药芯焊丝和绞股丝材两种方式制备焊接丝材，使成分设计后的制备更灵活，操作更容易。
本发明基于稀土对熔融态金属的除氧、净化作用，以及对凝固组织的细化作用，引入稀土元素作为次要元素。通过研究发现，稀土元素在Al、Ni或Cu中具有较大的溶解度，因此，在这三种纯金属中添加少量稀土制备成Al-RE、Ni-RE、Cu-RE二元金属丝。在制备绞股丝材中，可依据成分设计需要使用含稀土金属丝，以达到稀土优化焊接质量的目的。
附图说明
图1实施例1中两种焊丝材料焊后的拉伸断口扫描电镜图片；
其中，(a)药芯焊丝焊接接头拉伸断口；(b)ER2209焊丝焊接接头拉伸断口。
图2实施例2的绞股丝材中各金属丝的横断面布置图。
图3实施例2中两种焊丝材料焊后的拉伸断口扫描电镜图片；
其中，(a)绞股丝材焊接接头拉伸断口；(b)ER2209焊丝焊接接头拉伸断口。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例1一种用于钢与高熵合金异种焊接的焊丝材料及制备方法
1、待焊接材料：壁厚为5mm的Cr13马氏体不锈钢板与AlFeCuMnNi高熵合金板，其中，Cr13的合金成分如表1所示，AlFeCuMnNi高熵合金的成分为等原子含量比(各元素原子含量各占20％)。
表1Cr13马氏体不锈钢中主要成分的质量百分含量(％)
| 元素 | C | Cr | Ni | Mo | Si | Mn | Cu | P | S | Fe |
| 含量 | 0.051 | 12.95 | 3.96 | 0.45 | 0.52 | 0.68 | 0.01 | 0.003 | 0.003 | 余量 |
2、药芯焊丝的制备：
本实施例的焊丝材料采用药芯焊丝，药芯焊丝的制备工艺如下：
(1)确定焊丝材料的组成：将Fe作为焊丝材料的主要元素，其原子百分含量在20％～40％范围内。将上述Cr13马氏体不锈钢板中Cr和Ni的质量百分含量换算为原子百分含量分别为13.73％和3.72％，将Cr和Ni确定为焊丝材料的主要元素。最后，按照高熵合金板的成分，确定焊丝材料中Al、Mn和Cu为主要元素。
(2)确定药芯焊丝的原子百分含量，并换算为质量百分含量，如表2所示。
表2药芯焊丝材料中各目标成分含量(％)
| 元素 | Fe | Cr | Al | Mn | Cu | Ni |
| 原子百分含量 | 28 | 14 | 13 | 13 | 13 | 19 |
| 质量百分含量 | 29.52 | 13.74 | 6.62 | 13.48 | 15.59 | 21.05 |
(3)药芯焊丝包括外皮和药芯，制作药芯焊丝所用的外皮材料采用厚度为0.4mm的合金带，其成分的质量百分比为：Fe：37.1％，Cr：16.2％，Al：3.2％，Mn：17.3％，Ni：26.2％。
根据药芯焊丝的目标成分和外皮材料成分，计算制备1kg药芯焊丝所需金属粉末(药芯)的质量，计算过程中焊丝填充率按25％计算(药芯占药芯焊丝总质量的百分比)。
1)1kg药芯焊丝中各成分的用量：
Fe：1000g×29.52％＝295.2g
Cr：1000g×13.74％＝137.4g
Al：1000g×6.62％＝66.2g
Mn：1000g×13.48％＝134.8g
Cu：1000g×15.59％＝155.9g
Ni：1000g×21.05％＝210.5g
2)外皮合金带中各成分的用量：
合金带质量：1000g×(1-25％)＝750g
Fe：750g×37.1％＝278.25g
Cr：750g×16.2％＝121.5g
Al：750g×3.2％＝24g
Mn：750g×17.3％＝129.75g
Ni：750g×26.2％＝196.5g
3)药芯金属粉末中各成分的用量：
Fe：295.2g-278.25g＝16.95g
Cr：137.4g-121.5g＝15.9g
Al：66.2g-24g＝42.2g
Mn：134.8g-129.5g＝5.05g
Cu：155.9g
Ni：210.5g-196.5g＝14g
按照计算得到的药芯金属粉末中各金属元素的质量称取金属粉末，然后混合均匀，要求各金属粉末纯度≥99.9％，粒度80～100目。
(4)将金属粉末放入真空炉中进行烘干，烘干温度为110℃，烘干时间为1小时；将烘干后的金属粉末混合均匀；将合金带清洗干净后在85℃下烘干。
将烘干后的合金带放置在药芯焊丝轧机上，轧制成U型槽；然后按照25％的填充率向U型槽中加入混合好的金属粉末；再将U型槽轧制闭合成O型，经多道次拉拔，得到直径为1.2mm的焊丝。
3、焊接：
利用制备好的药芯焊丝，采用熔化极气体保护焊接方法在Cr13马氏体不锈钢板上焊接AlFeCuMnNi高熵合金板；
焊接前对焊件进行预热，保证待焊接端3倍厚度的距离内(3倍厚度指：钢板厚度的3倍)的温度在190～250℃范围内；
之后进行施焊，焊接参数为：采用100％ CO2气体保护，焊接电流110A，焊接速度120mm/min。焊接过程中保证已形成焊缝的温度不低于185℃。
焊接结束后对焊口进行保温处理(以延缓降温速度)，以使其温度以不高于120℃/h的速度下降至50℃以下。
通过以上流程完成焊接后，焊接接头未见明显焊接缺陷和裂纹。
为检验本发明焊丝材料的焊接性能，进行以下试验。
作为对比，采用直径为1.2mm的ER2209焊丝对相同材质的、壁厚为5mm的Cr13马氏体不锈钢板与AlFeCuMnNi高熵合金板进行焊接，焊接参数相同。
根据《GB2651-2008焊接接头拉伸试验法》对两种焊接材料焊接后的焊接接头进行拉伸性能测试，结果表明，采用本发明制备的药芯焊丝焊接后的焊接接头拉伸强度为521MPa，而采用ER2209焊丝焊接后的焊接接头拉伸强度为489MPa。
图1为实施例1中采用本发明制备的药芯焊丝和ER2209焊丝焊接后，焊接接头拉伸断口的扫描电镜观察图片。从图1(a)可以看出，断口中以韧窝为主，表明焊缝区的晶粒组织细小，这有助于提高焊缝区的强度；而图1(b)表明，断口中存在部分撕裂解理面，表现出部分脆性断裂特征。
实施例2一种用于钢与高熵合金异种焊接的焊丝材料及制备方法
1、待焊接材料：壁厚为5mm的Q235钢板和AlFeCuCrNi高熵合金板，其中，Q235的合金成分如表3所示，AlFeCuCrNi高熵合金的各成分采用等原子比含量(各元素原子含量均占20％)。
表3Q235钢的各成分质量百分含量(％)
| 元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Fe |
| 含量 | 0.18 | 0.21 | 0.37 | 0.03 | 0.04 | 0.22 | 余量 |
2、绞股丝材的制备：
本实施例焊接的焊丝材料采用绞股丝材，其制备工艺如下：
(1)确定焊丝材料的组成：将焊丝材料中Fe作为主要元素，其原子百分含量在20％～40％范围内。按照高熵合金板的成分，确定焊丝材料中Al、Cu、Cr和Ni为主要元素。
(2)进一步依据待焊接材料的成分确定绞股丝材中各原子百分含量，并换算为质量百分含量，如表4所示。
表4绞股丝材的各目标成分含量(％)
| 元素 | Fe | Al | Cu | Cr | Ni | La |
| 原子百分含量 | 30.903 | 21.911 | 15.381 | 15.151 | 16.652 | 0.002 |
| 质量百分含量 | 34.107 | 11.684 | 19.317 | 15.570 | 19.316 | 0.006 |
其中，Al的原子百分含量为21.911％，将其与稀土制备为Al-RE二元金属丝；稀土RE为La，在Al-RE二元金属丝中的质量百分比为0.05％。
(3)根据表4的合金成分换算得到本实施例绞股丝材中各金属元素的体积比为：Fe:Al-RE:Cu:Cr:Ni＝2:2:1:1:1。
因此，采用7根金属丝制备绞股丝材，其中2根Fe丝，2根Al-RE丝，1根Cu丝，1根Cr丝，1根Ni丝。所有金属丝的直径均为0.5mm，纯度不低于99.9％，均为退火态。
(4)采用绞合焊丝的专用设备将金属丝绞合成绞股丝材。在绞合过程中，因金属Cr的硬度较高，所以将Cr丝作为中心丝，其余金属丝作为外围丝，且相同材质的丝材(2根Fe丝和2根Al-RE丝)均以Cr丝为中心对称布置。绞股丝材中各金属丝的横断面布置如图2所示。
3、焊接：
利用制备好的绞股丝材，采用熔化极气体保护焊接方法在Q235钢板上焊接AlFeCuCrNi高熵合金板，焊接前对焊件进行预热，保证待焊接端3倍厚度距离内的温度在190～250℃范围内。
之后进行施焊，焊接参数为：100％ CO2气体保护，焊接电流110A，焊接速度120mm/min。焊接过程中保证已形成焊缝的温度不低于185℃。
焊接结束后对焊口进行保温处理，以使其温度以不高于120℃/h的速率下降至50℃以下。
为检验本发明焊丝材料的焊接性能，进行以下试验。
作为对比，采用直径为1.2mm的ER2209焊丝对相同材质的、壁厚为5mm的Q235钢板和AlFeCuCrNi高熵合金板进行焊接，焊接参数相同。
通过以上流程完成焊接后，焊接接头未见明显焊接缺陷和裂纹。根据《GB2651-2008焊接接头拉伸试验法》对两种焊接材料焊接后的焊接接头进行拉伸性能测试，结果表明，利用本发明制备的绞股丝材焊接后的焊接接头拉伸强度为286MPa，而采用ER2209焊丝进行焊接后的焊接接头拉伸强度为255MPa。
图3为实施例2中采用本发明制备的绞股丝材和ER2209焊丝焊接后，焊接接头拉伸断口的扫描电镜观察图片。从图3(a)可以看出，断口中存在大量韧窝，表明焊缝区的晶粒组织细小，这有助于提高焊缝区的强度；而图3(b)表明，断口中存在典型的解理面，表现为脆性断裂特征。
Claims (8)
1.一种用于钢与高熵合金异种焊接的焊丝材料，其特征在于，所述焊丝材料的化学组成包括主要元素和次要元素，主要元素为Al、Cu、Fe、Mn、Ni、Cr、Co中的4～6种，次要元素包括0～5种；所述焊丝材料的化学组成中每种主要元素的原子百分含量≥5%；每种次要元素的原子百分含量＜5%；
根据焊接钢的元素成分及含量确定焊丝材料的主要元素组成及含量；
若焊接钢中除Fe之外的某元素A的原子百分含量：3.5%≤A含量≤10%，则焊丝材料的主要元素包含所述元素A，且元素A在焊丝材料中的原子百分含量≥12%；
若焊接钢中除Fe之外的某元素A的原子百分含量＞10%，则焊丝材料的主要元素包含所述元素A，且元素A在焊丝材料中的原子百分含量≥13%；
根据焊接的高熵合金的元素成分及含量确定焊丝材料的元素组成及含量；
所述焊丝材料组成中包括高熵合金中的两种及两种以上金属元素，所述两种及两种以上金属元素按高熵合金中的原子含量由高到低依次选择；且每种金属元素在焊丝材料中的原子百分含量为该金属元素在高熵合金中的60%～100%。
2.如权利要求1所述的焊丝材料，其特征在于，所述钢为低碳钢、轴承钢、不锈钢或马氏体时效钢；所述高熵合金为Al-Cu-Fe-Mn-Ni-Cr、Al-Fe-Cu-Mn-Ni、Al-Fe-Cu-Co-Ni、Al-Fe-Cr-Ni、Al-Fe-Cu-Cr-Ni、Al-Cr-Co-Ni、Al-Cu-Fe-Ni-Ti、Al-Cu-Cr-Ni-Mn、Al-Cu-Co-Ni-Ti、Al-Fe-Cu-Co-Cr、Al-Cu-Co-Cr-Mn或Al-Cu-Ni-Ti-Mn合金。
3.如权利要求1所述的焊丝材料，其特征在于，所述高熵合金中每种金属元素的原子百分含量均为5%～35%；所述焊丝材料的化学组成中，每种主要元素与至少一种其他主要元素的原子百分含量相差不超过20%。
4.如权利要求1所述的焊丝材料，其特征在于，所述焊丝材料的化学组成中主要元素包括Fe，Fe的原子百分含量为20%～40%，其他主要元素的原子百分含量均≤35%；
所述次要元素为Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、W、Ta、La、Ce中的任1种或2～5种的混合。
5.如权利要求1所述的焊丝材料，其特征在于，所述焊丝材料的主要元素包含Fe和Cr，这两种元素的原子百分含量的差值≤16%；
或，所述焊丝材料的主要元素包含Fe和Ni，这两种元素的原子百分含量的差值≤16%；
或，所述焊丝材料的主要元素包含Fe和Al，这两种元素的原子百分含量的差值≤16%；
或，所述焊丝材料的主要元素包含Cr和Ni，这两种元素的原子百分含量的差值≤8%；
或，所述焊丝材料的主要元素包含Cr和Al，这两种元素的原子百分含量的差值≤8%；
或，所述焊丝材料的主要元素包含Ni和Al，这两种元素的原子百分含量的差值≤8%；
或，所述焊丝材料的主要元素包含Cr、Ni和Al，这三种元素中任两种元素的原子百分含量的差值≤6%。
6.如权利要求1-5任一项所述的焊丝材料，其特征在于，将焊丝材料制成药芯焊丝或绞股丝材。
7.如权利要求6所述的焊丝材料，其特征在于，所述焊丝材料制成绞股丝材时，若焊丝材料的化学组成包括主要元素Al、Ni或Cu中的任一种，且该主要元素在焊丝材料中的原子百分含量≥20%，则引入稀土元素作为焊丝材料的次要元素；
将所述原子百分含量≥20%的主要元素Al、Ni或Cu，分别与引入的稀土元素制成Al-RE、Ni-RE或Cu-RE二元金属丝，要求稀土在每种二元金属丝中的质量含量不高于0.1%，进而制备成绞股丝材；绞股丝材中稀土质量含量不高于绞股丝材总质量的0.01%；所述稀土为La或Ce单质，或者La与Ce的混合物。
8.一种权利要求6所述焊丝材料的制备方法，其特征在于，将焊丝材料制备成药芯焊丝时，其制备方法为：
(1)药芯焊丝包括外皮和药芯，采用合金带作为药芯焊丝的外皮，药芯成分基于焊丝材料成分，减去外皮合金带中合金元素的含量得到；将药芯成分的原子百分含量换算成质量百分含量，进而称取各金属粉末，混合，要求金属粉末的纯度不小于99.9%，粒度为80～100目；
(2)将混合金属粉末烘干，烘干温度80～120℃，烘干时间1～2小时；然后混合均匀；
(3)采用焊丝成型设备将金属粉末送入U形外皮钢带，经轧制和拉拔制成药芯焊丝，得到的药芯焊丝直径为1.2～3.0mm。
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