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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