用于焊接鈦-鋼的高熵合金焊絲及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于焊接鈦-鋼的高熵合金焊絲，由以下組分按原子百分比組成，其中Zr為30%～33%，Ti為8%～12%，F(xiàn)e為15%～18%，Ni為20%～24%，Be為20%～24%，總的百分比為100%。本發(fā)明還公開了上述的用于焊接鈦-鋼的高熵合金焊絲的制備方法，步驟包括：步驟1、熔配母合金；步驟2、應(yīng)用金屬紡績技術(shù)，制備成非晶態(tài)高熵合金焊絲。本發(fā)明的高熵合金焊絲，用于TIG焊鈦-鋼工藝簡單，焊絲與鈦及鋼的匹配性好，焊接區(qū)無裂紋，焊縫基本為單相固溶體組織，接頭綜合機(jī)械性能較高。
【專利說明】用于焊接鈦-鋼的高熵合金焊絲及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于焊接【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及ー種用于焊接鈦-鋼的高熵合金焊絲，本發(fā)明還涉及該種用于焊接鈦-鋼的高熵合金焊絲的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦及其合金比強(qiáng)度高，耐蝕性能好，重要化工容器、跨海大橋的橋柱及超大型浮式海洋結(jié)構(gòu)的防腐蝕襯板，幾乎都是用鈦與鋼的焊接結(jié)構(gòu)。鈦-鋼復(fù)合制件價格相當(dāng)于鈦材的25?35%，又同時兼具鈦與鋼的優(yōu)良特性，是節(jié)約貴金屬好的途徑。在提高材料利用率、減輕結(jié)構(gòu)重量、提高制件耐腐蝕性、降低成本等方面具有明顯的社會效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]目前，用于鈦-鋼焊接的主要方法是壓カ焊(包括擴(kuò)散焊、摩擦焊和爆炸焊)，對鈦-鋼釬焊也有較多的研究，但實(shí)現(xiàn)真正意義上的鈦-鋼高強(qiáng)度焊接則當(dāng)屬熔化焊。鈦-鋼的熔化焊接屬異種金屬之間的焊接，其施工難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鈦/鈦、鋼/鋼同質(zhì)材料，而且脆性金屬間化合物導(dǎo)致接頭性能不佳尤其嚴(yán)重。為了保障焊接的順利進(jìn)行，除了焊接施工過程中嚴(yán)格控制焊接方向以及順序之外，還需要選擇合適的超合金焊接材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種用于焊接鈦-鋼的高熵合金焊絲，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的焊絲用于焊接鈦-鋼時，易形成硬脆的金屬間化合物導(dǎo)致開裂，不易于獲得高性能制件的問題。
[0005]本發(fā)明的另一目的是提供ー種上述的用于焊接鈦-鋼的高熵合金焊絲的制備方法。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，ー種用于焊接鈦-鋼的高熵合金焊絲，由以下組分按原子百分比組成，總的百分比為100%，其中Zr為30%?33%，Ti為8%?12%，F(xiàn)e為15%?18%, Ni 為 20% ?24%，Be 為 20% ?24%。
[0007]本發(fā)明采用的另ー技術(shù)方案是，ー種上述的用于焊接鈦-鋼的高熵合金焊絲的制備方法，按照以下步驟實(shí)施:
[0008]步驟1、熔配母合金:
[0009]按原子百分比組成，總的百分比為100%，其中Zr為30%?33%，Ti為8%?12%，F(xiàn)e為 15% ?18%，Ni 為 20% ?24%，Be 為 20% ?24%，
[0010]將上述的原子百分比換算成質(zhì)量百分比，按質(zhì)量百分比稱量好各種高純金屬，將上述組分混勻、壓實(shí)成坯待用；將制成的坯料在超高真空電弧爐中進(jìn)行熔配，制得母合金；
[0011]步驟2、應(yīng)用金屬紡績技木，將步驟I得到的母合金重新熔化，經(jīng)過紡績輪的急冷快速凝固制備成非晶態(tài)高熵合金焊絲，即成。
[0012]本發(fā)明的有益效果是，該高熵合金焊絲具有優(yōu)良的強(qiáng)度、韌性及耐蝕性能，不易形成脆性金屬間化合物相，易于獲得高性能的鈦-鋼焊接接頭；使用該高熵合金焊絲的焊接 操作工藝簡單，方便高效，適應(yīng)性好，便于推廣。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0014]本發(fā)明的用于焊接鈦-鋼的高熵合金焊絲，由以下組分按原子百分比組成:總的百分比為 100%，Zr 為 30% ?33%，Ti 為 8% ?12%，F(xiàn)e 為 15% ?18%，Ni 為 20% ?24%，Be 為20% ?24%ο
[0015]在本發(fā)明的中間層合金成分中，對各化學(xué)元素的組成及含量限定理由分別敘述如下:
[0016]為了提高鈦金屬與鋼焊接接頭的綜合力學(xué)性能，需要獲得焊縫金屬的化學(xué)成分處在形成高熵合金的主元含量范圍。針對具體待焊母材金屬鈦與鋼的成分特點(diǎn)，焊絲選擇Zr-T1-Fe-N1-Be五主元高熵合金。主要原因有三點(diǎn):①焊接過程中母材的熔化以及近縫區(qū)母材向熔池中的溶解不可避免，為預(yù)防焊縫產(chǎn)生脆性金屬間化合物，焊縫目標(biāo)成分中須含有T1、Fe主元，而且這兩種元素在焊絲中的含量要低于其它主元；由于Ti元素在焊縫中的溶解能力大于Fe，焊絲中的Ti含量較低，而Fe的含量則相對較高。②Zr與Be與活性金屬Ti具有很好的相容性，用之可有效抑制脆性金屬間化合物產(chǎn)生。③通過在中間層合金中添加Ni元素，其既可與Fe無限固溶，又可與Zr、Ti和Be互溶，Ni的加入能夠改善焊縫與鈦母材的熔合性，易于形成高熵合金焊縫，擬制金屬間化合物形成。這樣，應(yīng)用選擇的焊絲經(jīng)過焊接過程，形成的焊縫金屬仍然是高熵合金，基本消除脆性金屬間化合物，接頭性能較聞。
[0017]本發(fā)明的高熵合金焊絲的制備方法，按照以下步驟實(shí)施:
[0018]步驟1、熔配母合金:
[0019]按原子百分比組成，其中Zr為30%?33%，Ti為8%?12%，F(xiàn)e為15%?18%，Ni為20%?24%，Be為20%?24%，總的百分比為100%。將上述的原子百分比換算成質(zhì)量百分比，按質(zhì)量百分比稱量好各種高純金屬，將上述組分混勻、壓實(shí)成坯待用；將制成的坯料在超高真空電弧爐中進(jìn)行熔配，制得母合金；
[0020]步驟2、應(yīng)用金屬紡績技術(shù)，將步驟I得到的母合金重新熔化，經(jīng)過紡績輪的急冷快速凝固制備成非晶態(tài)高熵合金焊絲。通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整紡輪線速度，將紡績輪線速度控制在5?8m/s，所制備得到的非晶焊絲的直徑在Φ0.8?Φ1.4mm。該非晶態(tài)高熵合金焊絲具有優(yōu)良的強(qiáng)度、韌性及耐蝕性能，且成形性優(yōu)良。
[0021]實(shí)施例1
[0022]依照總的原子百分比為100%，Zr31%，Ti8%，F(xiàn)e 18%, Ni21%, Be22%的數(shù)據(jù)選取各組分元素含量，將紡績輪線速度控制在5?8m/s，并按照上述實(shí)施方式制備出直徑為Φ1.1mm的非晶態(tài)Zr31Ti8Fel8Ni21Be22高熵焊絲。應(yīng)用TIG焊對TA2鈦與Q235鋼板進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)為:Ar氣流量8-10L/min，電弧電壓10-12V，焊接電流100A，焊接速度50_60mm/min0焊縫金屬融合性好，熔合區(qū)無裂紋，獲得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度約410MPa。
[0023]實(shí)施例2:
[0024]依照總的百分比為100%，Zr33%，Ti 11%，F(xiàn)e 15%, Ni21%, Be20%的數(shù)據(jù)選取各組分元素含量，將紡績輪線速度控制在5?8m/s，并按照上述實(shí)施方式制備出直徑為Φ1.2mm的非晶態(tài)Zr33TillFel5Ni21Be20高熵焊絲。應(yīng)用TIG焊對TA2鈦與Q235鋼板進(jìn)行焊接，焊接エ藝參數(shù)為:Ar氣流量8-10L/min，電弧電壓10-12V，焊接電流100A，焊接速度50_60mm/min0焊縫金屬融合性好，熔合區(qū)無裂紋，獲得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度約392MPa。
[0025]實(shí)施例3:
[0026]依照總的原子百分比為100%，Zr32%，Ti 10%, Fe 16%, Ni22%, Be20%的數(shù)據(jù)選取各組分元素含量，將紡績輪線速度控制在5?8m/s，并按照上述實(shí)施方式制備出直徑為の1.2mm的非晶態(tài)Zr32Til0Fel6Ni20Be20高熵焊絲。應(yīng)用TIG焊對TA2鈦與Q235鋼板進(jìn)行焊接，焊接エ藝參數(shù)為:Ar氣流量8-10L/min，電弧電壓10-12V，焊接電流90A，焊接速度50_60mm/min0焊縫金屬融合性好，熔合區(qū)無裂紋，獲得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度約403MPa。
[0027]該高熵合金焊絲本身為五主元高熵合金，經(jīng)過焊接過程，形成的焊縫金屬依然為高熵合金。使用上述高熵合金焊絲焊后形成的焊縫基本上消除脆性金屬間化合物，接頭性能較高。
[0028]綜上所述，本發(fā)明的非晶態(tài)高熵合金焊絲，熔煉及加工成形性能好，在焊接時與鈦及合金鋼的匹配性好、焊縫金屬基本為單相fee固溶體組織，接頭綜合機(jī)械性能顯著提高；該種高熵合金焊絲的制備方法，エ藝簡単，制作成本低廉。應(yīng)用非晶態(tài)高熵合金焊絲焊接鈦-鋼的エ藝簡單，焊接區(qū)無裂紋，接頭的抗拉強(qiáng)度較高。
【權(quán)利要求】
1.一種用于焊接鈦-鋼的高熵合金焊絲，其特征在于，由以下組分按原子百分比組成:Zr 為 30% ?33%，Ti 為 8% ?12%，F(xiàn)e 為 15% ?18%，Ni 為 20% ?24%，Be 為 20% ?24%，總的百分比為100%。
2.—種權(quán)利要求1所述的用于焊接鈦-鋼的高熵合金焊絲的制備方法，其特征在于，按照以下步驟實(shí)施: 步驟1、熔配母合金 按原子百分比組成，其中Zr為30%?33%，Ti為8%?12%，F(xiàn)e為15%?18%，Ni為20%?24%, Be為20%?24%,總的百分比為100%, 將上述的原子百分比換算成質(zhì)量百分比，按質(zhì)量百分比稱量好各種高純金屬，將上述組分混勻、壓實(shí)成坯待用；將制成的坯料在超高真空電弧爐中進(jìn)行熔配，制得母合金； 步驟2、應(yīng)用金屬紡績技術(shù)，將步驟I得到的母合金重新熔化，經(jīng)過紡績輪的急冷快速凝固制備成非晶態(tài)高熵合金焊絲，即成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，將紡績輪線速度控制在5?8m/s，所制備得到的非晶焊絲的直徑在Φ0.8?Φ1.4mm。
【文檔編號】B23K35/40GK103567663SQ201310476898
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】翟秋亞, 侯光遠(yuǎn), 徐錦鋒 申請人:西安理工大學(xué)