用于钛与钢tig焊接的高熵合金焊丝及制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于钛与钢TIG焊接的高熵合金焊丝，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100%，Zr为30～33%，Cu为8～12%，Fe为15～18%，Ni为20～24%，Be为20～24%。本发明还公开了该种用于钛与钢TIG焊接的高熵合金焊丝的制备方法。本发明的非晶态高熵合金焊丝，熔炼及加工成形性能好，焊丝的制备方法和工艺简单，制作成本低廉。应用非晶态高熵合金焊丝TIG焊钛/钢工艺简单，焊丝与钛及钢的匹配性好，焊接区无裂纹，焊缝基本为单相固溶体组织，接头综合机械性能较高。
【专利说明】用于钛与钢TIG焊接的高熵合金焊丝及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于焊接【技术领域】，涉及一种用于钛与钢TIG焊接的高熵合金焊丝，本发明还涉及该种高熵合金焊丝的制备方法。
【背景技术】
[0002]钛及其合金比强度高，耐蚀性能好，但因钛金属价格较高，限制了其进一步的发展应用；而钛-钢复合板价格相当于钛材的25?35%，同时兼具钛与钢的优良特性，是节约钛金属的很好途径，在提高材料利用率、减轻结构重量、提高制件耐腐蚀性、降低成本等方面具有明显的社会效应和经济效应，具有广阔的应用前景。利用钛-钢复合板生产出的设备性价比高，但其自身的结构复杂，其焊接施工难度远远大于钛/钛、钢/钢同质材料。
[0003]目前，用于钛/钢焊接的主要方法包括压力焊(分为扩散焊、摩擦焊和爆炸焊)，但实现真正意义上的钛/钢高强度焊接则当属熔化焊。钛/钢的熔化焊接属异种金属之间的焊接，其施工难度远远大于钛/钛、钢/钢同质材料，而且脆性金属间化合物导致接头性能不佳尤其严重。为了保障焊接的顺利进行，除了焊接施工过程中严格控制焊接方向以及顺序之外，还需要选择合适的超合金焊接材料。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种用于钛与钢TIG焊接的高熵合金焊丝，解决了现有技术中，在TIG焊接方法实现钛/钢焊接时，易形成硬脆的金属间化合物导致焊缝开裂，不易于获得高性能制件的问题。
[0005]本发明的另一目的是提供上述的高熵合金焊丝的制备方法。
[0006]本发明采用的技术方案是，一种用于钛与钢TIG焊接的高熵合金焊丝，由以下组分按原子百分比组成:总的百分比为100%，Zr为30?33%，Cu为8?12%，Fe为15?18%，Ni 为 20 ?24%，Be 为 20 ?24%。
[0007]本发明采用的另一技术方案是，一种上述的高熵合金焊丝的制备方法，按照以下步骤实施:
[0008]步骤1、利用超高真空电弧炉熔配母合金
[0009]按原子百分比组成，其中Zr为30?33%，Cu为8?12%，Fe为15?18%，Ni为20?24%，Be为20?24%，总的百分比为100%，将上述的原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称量好各种高纯金属，将上述组分混匀、压实成坯待用；将制成的坯料在超高真空电弧炉中进行熔配，制得母合金；
[0010]步骤2、应用金属纺绩技术，将上步得到的母合金重新熔化，经过纺绩轮的急冷快速凝固制备成非晶态高熵合金焊丝，即成。
[0011]本发明的有益效果是，本发明的高熵合金焊丝具有优良的强度、韧性及耐蚀性能，不易形成脆性金属间化合物相，易于获得高性能的钛/钢焊接接头。该高熵合金焊丝的焊接操作工艺简单，方便高效，对焊接工艺适应性好，便于工程推广。【具体实施方式】
[0012]下面结合【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0013]本发明的用于钛与钢TIG焊接的高熵合金焊丝，由以下组分按原子百分比组成:总的百分比为100%，Zr为30~33%，Cu为8~12%，Fe为15~18%，Ni为20~24%，Be为20 ~24%o
[0014]经过焊接过程，所形成的焊缝金属为Zr-T1-Fe-N1-Cu-Be为主元的高熵合金，基本上消除脆性金属间化合物，接头性能较高。
[0015]本发明的合金成分中，各化学元素的组成及含量限定理由是:
[0016]为了提高钛与钢焊接接头的综合力学性能，需要获得焊缝金属的化学成分处在形成高熵合金的主元含量范围。针对具体待焊母材金属钛与钢的成分特点，合金主元选择Zr-N1-Cu-Be四元系非晶态合金。主要原因有三点:①Zr与Be与活性金属Ti具有很好的相容性，用之可有效抑制脆性金属间化合物产生。②通过在中间层合金中添加N1、Cu元素，其既可与Fe无限固溶，又可与Zr、Ti和Be互溶，Ni的加入能够改善焊缝与钛母材的熔合性，易于形成高熵合金焊缝，拟制金属间化合物形成。③焊接过程中母材的熔化以及近缝区母材向熔池中的溶解不可避免，为预防焊缝产生脆性金属间化合物，焊缝目标成分中须含有Fe主元。考虑到Ti元素在焊接过程中极易熔(溶)解进入焊缝金属之中，为了确保焊接完成之后，焊缝中Ti元素的含量处于形成高熵合金所需要的成分范围，焊丝中不选择添加Ti元素。
[0017]本发明的高熵合金焊丝，其制备方法按照以下步骤实施:
[0018]步骤1、利用超高真空电弧炉熔配母合金:
[0019]按原子百分比组成，其中Zr为30~33%，Cu为8~12%，Fe为15~18%，Ni为20~24%，Be为20~24%，总的百分比为100%。将上述的原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称量好各种高纯金属，将上述组分混匀、压实成坯待用；将制成的坯料在超高真空电弧炉中进行熔配，制得母合金；步骤2、应用金属纺绩技术，将上步得到的母合金重新熔化，经过纺绩轮的急冷快速凝固制备成非晶态高熵合金焊丝。通过改变电机转速来调整纺轮线速度，将纺绩轮线速度控制在5~8m/s，所制备得到的非晶焊丝的直径在(60.8~(61.4mm。该非晶态高熵合金焊丝具有优良的强度、韧性及耐蚀性能，且成形性优良。
[0020]实施例1
[0021]依照总的百分比为100%，Zr31%，Cu8%，Fe 18%, Ni21%, Be22%的数据选取各组分元素含量，将纺绩轮线速度控制在5~8m/s，并按照上述实施方式制备出直径为On.1mm的非晶态Zr31Cu8Fel8Ni21Be22高熵焊丝。应用TIG焊对TA2钛与Q235钢板进行焊接，焊接工艺参数为:Ar气流量8-10L/min，电弧电压10-12V，焊接电流100A，焊接速度50-60mm/min。焊缝金属融合性好，熔合区无裂纹，获得焊接接头的抗拉强度约410MPa。
[0022]实施例2
[0023]依照总的百分比为100%，Zr33%，Cul 1%, Fe 15%, Ni21%, Be20%的数据选取各组分元素含量，将纺绩轮线速度控制在5~8m/s，并按照上述实施方式制备出直径为0)1.2mm的非晶态Zr33CullFel 5Ni21Be20高熵焊丝。应用TIG焊对TA2钛与Q235钢板进行焊接，焊接工艺参数为:Ar气流量8-10L/min，电弧电压10-12V，焊接电流100A，焊接速度50_60mm/min0焊缝金属融合性好，熔合区无裂纹，获得焊接接头的抗拉强度约392MPa。
[0024]实施例3
[0025]V依照总的百分比为100%，Zr32%，Cul0%, Fe 16%, Ni20%, Be22%的数据选取各组分元素含量，将纺绩轮线速度控制在5?8m/s，并按照上述实施方式制备出直径为On.2mm的Zr32Cul0Fel6Ni20Be20高熵焊丝。应用TIG焊对TA2钛与Q235钢板进行焊接，焊接工艺参数为:Ar气流量8-10L/min，电弧电压10-12V，焊接电流90A，焊接速度50-60mm/min。焊缝金属融合性好，熔合区无裂纹，获得焊接接头的抗拉强度约403MPa。
[0026]综上所述，本发明的高熵合金焊丝，本身为非晶态高熵合金，焊后所形成的焊缝金属亦为高熵合金，只是焊缝中的T1、Fe含量显著高于高熵中间层合金初始值，该高熵中间层合金形成的焊缝基本上消除脆性金属间化合物，接头性能较高。
【权利要求】
1.一种用于钛与钢TIG焊接的高熵合金焊丝，其特征在于，由以下组分按原子百分比组成:总的百分比为100%，Zr为30?33%，Cu为8?12%，Fe为15?18%，Ni为20?24%，Be 为 20 ?24%。
2.—种权利要求1所述的高熵合金焊丝的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施: 步骤1、利用超高真空电弧炉熔配母合金 按原子百分比组成，其中Zr为30?33%，Cu为8?12%，Fe为15?18%，Ni为20?24%，Be为20?24%，总的百分比为100%，将上述的原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称量好各种高纯金属，将上述组分混匀、压实成坯待用；将制成的坯料在超高真空电弧炉中进行熔配，制得母合金； 步骤2、应用金属纺绩技术，将上步得到的母合金重新熔化，经过纺绩轮的急冷快速凝固制备成非晶态高熵合金焊丝，即成。
3.根据权利要求2所述的高熵合金焊丝的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，将纺绩轮线速度控制在5?8m/s。
【文档编号】B23K35/24GK103639619SQ201310614033
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】翟秋亚, 刘正, 徐锦锋 申请人:西安理工大学