CN117206746A - Wc陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的WC陶瓷相增强钛基气保护药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比包括：WC：40％～60％、Ni：10％～16％、Al：5％～12％，Cr：5％～10％，Si：0.1％～0.5％，余量为钛粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；本发明还公开了WC陶瓷相增强钛基气保护药芯焊丝的制备方法，该药芯焊丝适用于钛合金的表面改性，解决了TC32钛合金硬度低、耐磨性差的问题。
Description
技术领域
本发明属于钛合金表面改性技术领域，涉及WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝。
本发明还涉及WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝的制备方法。
背景技术
钛及其合金由于具备比强度高、耐蚀性好、耐高温、生物相容性好等优异的综合性能，是航空航天、石油化工、军工制造业及医疗行业的重要材料；但钛及钛合金化学活性很高，摩擦系数大，硬度低，耐磨性能差，加工冶炼难度大，且钛合金在高温的条件下高速摩擦时容易燃烧，从而形成“钛火”；这些缺点会严重阻碍钛合金作为结构件和摩擦零件的使用，在很大程度上限制了钛合金作为结构材料的进一步应用；现阶段，随着航空航天、海洋工程等领域的突破进展，传统的钛合金材料已经不能满足严苛的使用环境；因此，为了提升钛基材料的耐磨性、抗氧化性以及表面硬度等性能，在钛合金基体中加入陶瓷硬质相，制备一种陶瓷相增强钛基复合材料来提高钛合金的耐磨性等缺陷，提高钛合金在严酷条件下的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝，解决了现有钛合金耐磨性差、硬度低的问题。
本发明的另一个目的是提供WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝的制备方法。
本发明所采用的第一个技术方案是，WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝，包括药芯和焊皮，药芯按质量百分比包括：WC：40％～60％、Ni：10％～16％、Al：5％～12％，Cr：5％～10％，Si：0.1％～0.5％，余量为钛粉，以上各组分含量的质量百分比之和为100％。
本发明第一个技术方案的特点还在于：
其中焊皮为TA1钛带；
其中药芯焊丝中药芯的填充率为26wt％～30wt％。
本发明所采用的第二个技术方案是，WC陶瓷相增强钛基气保护药芯焊丝的制备方法，采用WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝，具体按以下步骤实施：
步骤1，清洗TA1钛带；
步骤2，按质量百分比称取各组分；
步骤3，将步骤2称取的各组分进行干混，得到药芯粉；
步骤4，通过药芯焊丝制丝机进行焊丝制备，得到钛合金药芯焊丝前体；
步骤5，将步骤4所得到的钛合金药芯焊丝前体进行冷拔减径拉丝模以及退火；
步骤6，将经步骤5得到的焊丝进行清理，得到WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝。
本发明第二个技术方案的特点还在于：
其中步骤1中清洗过程具体为：首先用NaOH和丙酮的混合液对钛带进行清洗，然后用清水清洗，最后使用HF和HNO3的混合水溶液超声清洗，得到清洗后的TA1钛带；
其中NaOH和丙酮的混合液中NaOH的质量分数为15％，丙酮的质量分数为85％；HF和HNO3的混合水溶液中HF的质量分数为5％，HNO3的质量分数为35％；超声清洗1～2min，超声频率为20～30kHz；
其中步骤3具体为：步骤2称取的药芯按质量百分比包括：WC：40％～60％、Ni：10％～16％、Al：5％～12％，Cr：5％～10％，Si：0.1％～0.5％，余量为钛粉，以上各组分含量的质量百分比之和为100％，将上述各组分进行加热，然后各组分原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀，得到药芯粉，各组分原料粉末的粒径不大于124μm；
其中步骤4具体为：通过药芯焊丝制丝机将步骤3均匀混合后的药芯粉包裹在TA1钛带内，并采用成型机将TA1钛带闭合，得到直径为2.1mm的钛合金药芯焊丝前体；
其中步骤5具体为：将经步骤4得到的钛合金药芯焊丝前体进行多道次冷拔减径拉丝模，每冷拔减径拉丝模三次后进行去应力退火，得到直径为1.6mm的焊丝；
多道次冷拔减径拉丝模的具体过程为：依次通过直径为2.0mm、1.9mm、1.8mm、1.7mm和1.6mm的拉丝模，去应力退火的时间为60～90min，温度为600～650℃；
其中步骤6具体为：用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭经步骤5得到的焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装。
本发明的有益效果是：
本发明的WC陶瓷相增强钛基气保护药芯焊丝具备如下优势：
(1)本发明的气保护药芯焊丝用于钛合金的表面改性问题，解决了钛合金耐磨性差、硬度低的问题；
(2)本发明的气保护药芯焊丝具有很好的电弧熔覆性，电弧稳定，润湿及铺展性能较好，焊缝成形美观，无裂纹、气孔、夹杂、氧化等缺陷；
本发明的WC陶瓷相增强钛基气保护药芯焊丝的制备方法，具备工艺简洁、可操作性强、成本低适合批量化生产的特点。
附图说明
图1是本发明的WC陶瓷相增强钛基气保护药芯焊丝的制备方法中实施例4制备得到的气保护药芯焊丝TIG熔覆条件下对TC32钛合金表面改性的金相显微组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供WC陶瓷相增强钛基气保护药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比包括：WC：40％～60％、Ni：10％～16％、Al：5％～12％，Cr：5％～10％，Si：0.1％～0.5％，余量为钛粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；
焊皮为TA1钛带，钛带尺寸为7mm×0.2mm，药芯焊丝中药芯的填充率为26wt％～30wt％；
药芯粉末中各个组分的作用是：
Ti：钛元素可作脱氧剂，有减少固溶氮的作用，可细化晶粒，一定量的钛有利于改善焊缝金属的塑性和韧性；
WC：WC颗粒具有高硬度、高熔点的特点，热膨胀系数和钛合金接近，WC和Ti熔体之间的界面反应在高温下是温和的，WC被认为是钛合金的理想增强剂；
Ni：属于TC32钛合金中的β稳定元素，钛-镍之间也可以生成化合物，如Ti2Ni、Ti3Ni、TiNi等，镍-钛化合物具有更优良的塑性，能够承受较大的变形而不开裂，这能够提高复合结构界面的结合强度，防止界面在变形过程中过早开裂；
Al：属于TC32钛合金中的α稳定元素，加入Al可以增加焊接接头的强度和韧性，得到高强、高韧的接头；
Cr：属于TC32钛合金中的β稳定元素，优异的抗氧化和耐腐蚀性，可以与空气或表面接触介质中的O元素反应形成致密氧化膜，阻隔合金基体进一步与腐蚀介质接触并发生反应，并且Cr含量越高，合金的抗氧化和耐腐蚀性能越好；
Si：硅元素具有脱氧和提高熔敷金属强度的作用，但是Si的固溶强化作用较强，会导致熔敷金属的低温韧性下降，因此加入Si的含量要合理控制。
本发明还提供WC陶瓷相增强钛基气保护药芯焊丝的制备方法，具体按以下步骤实施：
步骤1，先用NaOH和丙酮的混合液对钛带进行清洗，清洗之后用清水清洗，然后使用HF和HNO3的混合水溶液超声清洗，得到清洗后的TA1钛带；使用的NaOH和丙酮的混合液中NaOH的质量分数为15％，丙酮的质量分数为85％。HF和HNO3的混合水溶液中HF的质量分数为5％，HNO3的质量分数为35％。超声清洗1～2min，频率为20～30kHz；
步骤2，按质量百分比分别称取：WC：40％～60％、Ni：10％～16％、Al：5％～12％，Cr：5％～10％，Si：0.1％～0.5％，余量为钛粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；各个原料粉末的粒径不大于124μm；
步骤3，将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀，得到药芯粉；
步骤4，通过药芯焊丝制丝机把步骤3均匀混合后的药芯粉包裹在TA1钛带内，并采用成型机将TA1钛铜带闭合，得到直径为2.1mm钛合金药芯焊丝前体；
步骤5，将步骤4所得到的直径为2.1mmTA1钛合金药芯焊丝前体进行多道次冷拔减径拉丝模，每冷拔减径拉丝模三次后进行去应力退火，得到直径为1.6mm的焊丝；
多道次冷拔减径拉丝模的具体过程为：依次通过直径为2.0mm、1.9mm、1.8mm、1.7mm和1.6mm的拉丝模，去应力退火的时间为60～90min，温度为600～650℃；
步骤6，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最后烘干，盘成圆盘、密封包装。
实施例1
步骤1，先用NaOH和丙酮的混合液对钛带进行清洗，清洗之后用清水清洗，然后使用HF和HNO3的混合水溶液超声清洗，得到清洗后的TA1钛带；
使用的NaOH和丙酮的混合液中NaOH的质量分数为15％，丙酮的质量分数为85％；HF和HNO3的混合水溶液中HF的质量分数为5％，HNO3的质量分数为35％；超声清洗2min，频率为30kHz；
步骤2，按质量百分比分别称取，WC：40％％、Ni：10％、Al：5％，Cr：5％，Si：0.1％，余量为钛粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；各个原料粉末的粒径不大于124μm；
步骤3，将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀，得到药芯粉；
步骤4，通过药芯焊丝制丝机把步骤3均匀混合后的药芯粉包裹在TA1钛带内，并采用成型机将TA1钛带闭合，得到直径为2.1mm钛合金药芯焊丝前体；
步骤5，将步骤4所得到的直径为2.1mmTA1钛合金药芯焊丝前体进行多道次冷拔减径拉丝模，每冷拔减径拉丝模三次后进行去应力退火，得到直径为1.6mm的焊丝；
多道次冷拔减径拉丝模的具体过程为：依次通过直径为2.0mm、1.9mm、1.8mm、1.7mm和1.6mm的拉丝模。去应力退火的时间为60min，温度为650℃；
步骤6，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最后烘干，盘成圆盘、密封包装。
实施例1制备的气保护药芯焊丝的电弧熔覆工艺为：采用钨极非熔化惰性气体保护焊(TIG)，焊接电流为120～140A，电压为10～15V，焊接速度0.3～0.4m/min，保护气体为纯氩气；该焊丝熔覆时电弧稳定、焊缝成型美观、无气孔、裂纹、夹杂、氧化等缺陷，所得到的钛基熔覆层最大硬度为500HV0.2，其硬度较母材提高了42％，所得熔覆层耐磨性能优异，符合使用要求。
实施例2
步骤1，先用NaOH和丙酮的混合液对钛带进行清洗，清洗之后用清水清洗，然后使用HF和HNO3的混合水溶液超声清洗，得到清洗后的TA1钛带；
使用的NaOH和丙酮的混合液中NaOH的质量分数为15％，丙酮的质量分数为85％。HF和HNO3的混合水溶液中HF的质量分数为5％，HNO3的质量分数为35％。超声清洗1min，频率为30kHz；
步骤2，按质量百分比分别称取：WC：45％、Ni：12％、Al：8％，Cr：6％，Si：0.2％，余量为钛粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；各个原料粉末的粒径不大于124μm；
步骤3，将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀，得到药芯粉；
步骤4，通过药芯焊丝制丝机把步骤3均匀混合后的药芯粉包裹在TA1钛带内，并采用成型机将TA1钛带闭合，得到直径为2.1mm钛合金药芯焊丝前体；
步骤5，将步骤4所得到的直径为2.1mmTA1钛合金药芯焊丝前体进行多道次冷拔减径拉丝模，每冷拔减径拉丝模三次后进行去应力退火，得到直径为1.6mm的焊丝；
多道次冷拔减径拉丝模的具体过程为：依次通过直径为2.0mm、1.9mm、1.8mm、1.7mm和1.6mm的拉丝模。去应力退火的时间为90min，温度为600℃；
步骤6，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最后烘干，盘成圆盘、密封包装。
实施例2制备的气保护药芯焊丝的电弧熔覆工艺为：采用钨极非熔化惰性气体保护焊(TIG)，焊接电流为120～140A，电压为10～15V，焊接速度0.3～0.4m/min，保护气体为纯氩气；该焊丝熔覆时电弧稳定、焊缝成型美观、无气孔、裂纹、夹杂等缺陷，所得到的钛基熔覆层最大硬度为510HV0.2，其硬度较母材提高了45％，所得熔覆层耐磨性能优异，符合使用要求。
实施例3
步骤1，先用NaOH和丙酮的混合液对钛带进行清洗，清洗之后用清水清洗，然后使用HF和HNO3的混合水溶液超声清洗，得到清洗后的TA1钛带；
使用的NaOH和丙酮的混合液中NaOH的质量分数为15％，丙酮的质量分数为85％。HF和HNO3的混合水溶液中HF的质量分数为5％，HNO3的质量分数为35％。超声清洗1min，频率为30kHz；
步骤2，按质量百分比分别称取：WC：50％、Ni：14％、Al：10％，Cr：8％，Si：0.3％，余量为钛粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；各个原料粉末的粒径不大于124μm；
步骤3，将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀，得到药芯粉；
步骤4，通过药芯焊丝制丝机把步骤3均匀混合后的药芯粉包裹在TA1钛带内，并采用成型机将TA1钛带闭合，得到直径为2.1mm钛合金药芯焊丝前体；
步骤5，将步骤4所得到的直径为2.1mmTA1钛合金药芯焊丝前体进行多道次冷拔减径拉丝模，每冷拔减径拉丝模三次后进行去应力退火，得到直径为1.6mm的焊丝；
多道次冷拔减径拉丝模的具体过程为：依次通过直径为2.0mm、1.9mm、1.8mm、1.7mm和1.6mm的拉丝模。去应力退火的时间为80min，温度为620℃；
步骤6，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最后烘干，盘成圆盘、密封包装。
实施例3制备的气保护药芯焊丝的堆焊焊接工艺为：采用钨极非熔化惰性气体保护焊(TIG)，焊接电流为120～140A，电压为10～15V，焊接速度0.3～0.4m/min，保护气体为纯氩气；该焊丝熔覆时电弧稳定、焊缝成型美观、无气孔、裂纹、夹杂等缺陷，所得到的钛基熔覆层最大硬度为512HV0.2，其硬度较母材提高了46％，所得熔覆层耐磨性能优异，符合使用要求。
实施例4
步骤1，先用NaOH和丙酮的混合液对钛带进行清洗，清洗之后用清水清洗，然后使用HF和HNO3的混合水溶液超声清洗，得到清洗后的TA1钛带；
使用的NaOH和丙酮的混合液中NaOH的质量分数为15％，丙酮的质量分数为85％。HF和HNO3的混合水溶液中HF的质量分数为5％，HNO3的质量分数为35％。超声清洗2min，频率为20kHz；
步骤2，按质量百分比分别称取WC：60％、Ni：16％、Al：12％，Cr：10％，Si：0.4％，余量为钛粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；各个原料粉末的粒径不大于124μm；
步骤3，将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀，得到药芯粉；
步骤4，通过药芯焊丝制丝机把步骤3均匀混合后的药芯粉包裹在TA1钛带内，并采用成型机将TA1钛铜带闭合，得到直径为2.1mm钛合金药芯焊丝前体；
步骤5，将步骤4所得到的直径为2.1mmTA1钛合金药芯焊丝前体进行多道次冷拔减径拉丝模，每冷拔减径拉丝模三次后进行去应力退火，得到直径为1.6mm的焊丝；
多道次冷拔减径拉丝模的具体过程为：依次通过直径为2.0mm、1.9mm、1.8mm、1.7mm和1.6mm的拉丝模。去应力退火的时间为60～60min，温度为600～650℃；
步骤6，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最后烘干，盘成圆盘、密封包装。
实施例4制备的气保护药芯焊丝的堆焊焊接工艺为：采用钨极非熔化惰性气体保护焊(TIG)，焊接电流为120～140A，电压为10～15V，焊接速度0.3～0.4m/min，保护气体为纯氩气；该焊丝熔覆时电弧稳定、焊缝成型美观、无气孔、裂纹、夹杂等缺陷，所得到的钛基熔覆层最大硬度为550HV0.2，其硬度较母材提高了57％，所得熔覆层耐磨性能优异，符合使用要求；对所得钛基熔覆层金相组织观察，如图1所示，图1为熔覆层底部、中部的金相组织，从显微组织图片中可以观察到，在熔覆层中存在未分解的WC颗粒，以及反应生成的TiC、W2C细小颗粒，这几种组织都会极大的提高熔覆层的硬度以及耐磨性。
Claims (10)
1.WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其特征在于，药芯按质量百分比包括：WC：40％～60％、Ni：10％～16％、Al：5％～12％，Cr：5％～10％，Si：0.1％～0.5％，余量为钛粉，以上各组分含量的质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝，其特征在于，所述焊皮为TA1钛带。
3.根据权利要求1所述的WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝中药芯的填充率为26wt％～30wt％。
4.WC陶瓷相增强钛基气保护药芯焊丝的制备方法，采用权利要求1～3任一所述的WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1，清洗TA1钛带；
步骤2，按质量百分比称取各组分；
步骤3，将步骤2称取的各组分进行干混，得到药芯粉；
步骤4，通过药芯焊丝制丝机进行焊丝制备，得到钛合金药芯焊丝前体；
步骤5，将步骤4所得到的钛合金药芯焊丝前体进行冷拔减径拉丝模以及退火；
步骤6，将经步骤5得到的焊丝进行清理，得到WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝。
5.根据权利要求4所述的WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝的制备方法，其特征在于，所述步骤1中清洗过程具体为：首先用NaOH和丙酮的混合液对钛带进行清洗，然后用清水清洗，最后使用HF和HNO3的混合水溶液超声清洗，得到清洗后的TA1钛带。
6.根据权利要求5所述的WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝的制备方法，其特征在于，所述NaOH和丙酮的混合液中NaOH的质量分数为15％，丙酮的质量分数为85％；HF和HNO3的混合水溶液中HF的质量分数为5％，HNO3的质量分数为35％；超声清洗1～2min，超声频率为20～30kHz。
7.根据权利要求4所述的WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体为：步骤2称取的药芯按质量百分比包括：WC：40％～60％、Ni：10％～16％、Al：5％～12％，Cr：5％～10％，Si：0.1％～0.5％，余量为钛粉，以上各组分含量的质量百分比之和为100％，将上述各组分进行加热，然后各组分原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀，得到药芯粉，各组分原料粉末的粒径不大于124μm。
8.根据权利要求4所述的WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝的制备方法，其特征在于，所述步骤4具体为：通过药芯焊丝制丝机将步骤3均匀混合后的药芯粉包裹在TA1钛带内，并采用成型机将TA1钛带闭合，得到直径为2.1mm的钛合金药芯焊丝前体。
9.根据权利要求4所述的WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝的制备方法，其特征在于，所述步骤5具体为：将经步骤4得到的钛合金药芯焊丝前体进行多道次冷拔减径拉丝模，每冷拔减径拉丝模三次后进行去应力退火，得到直径为1.6mm的焊丝；
所述多道次冷拔减径拉丝模的具体过程为：依次通过直径为2.0mm、1.9mm、1.8mm、1.7mm和1.6mm的拉丝模，去应力退火的时间为60～90min，温度为600～650℃。
10.根据权利要求4所述的WC陶瓷颗粒增强钛基复合材料用药芯焊丝的制备方法，其特征在于，所述步骤6具体为：用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭经步骤5得到的焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装。
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