适用于钛合金铸件补焊用的Ti?6Al?4V合金焊丝的制备方法
【专利摘要】本发明涉及适用于钛合金铸件补焊用的Ti?6Al?4V合金焊丝的制备方法，属于有色金属材料制备技术领域。该制备方法为：S1合金焊丝原料混合压制成电极，熔炼制成合金铸锭；S2均匀化退火；S3开坯锻造；S4进行轧制，并使用超声波探伤；S5进行一次大变形两次轧制，加热并保温；S6热拉拔规圆并做表面处理；S7进行控温热拉拔；S8进行冷拉拔后进行退火；S9进行滑块矫直，矫直切断，去应力退火、磨光即得成品。本发明的有益效果为：消除铸造时急冷造成的合金成分和组织的不均匀性；采用无心磨这种机械方式去除丝材受污染的表面，既去除了表面脏物，又防止了丝材在后续存放时表面的进一步腐蚀，有利于丝材质量的稳定和提高。
【专利说明】
适用于钛合金铸件补焊用的T i -6AI-4V合金焊丝的制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于有色金属材料制备技术领域，涉及一种适用于钛合金铸件补焊用的 Ti-6A1-4V合金焊丝的制备方法。
【背景技术】
[0002] 钛合金具有低密度、高比强度、耐高温、耐蚀、可焊等优点，是航空、航天飞行器轻 量化和提高综合性能的最佳用材。近年来国内外飞行器上钛合金的使用量大幅增加，钛合 金的使用量和使用水平已经成为衡量航空航天技术及飞行器性能先进程度的一项重要指 标。
[0003] 精密铸造是钛合金零件的先进制造技术，有着提高材料利用率、减轻结构重量、降 低成本、扩大钛合金应用范围等方面独特的优势。但由于钛合金铸件的浇注熔点高、真空熔 炼浇注会产生铸造缺陷等，不可避免的需要用补焊方法来进行修复。钛合金精密铸造件的 缺陷补焊就会用到钛合金焊丝，焊丝自然成为了钛合金零件生产中的重要原材料，焊丝对 钛合金铸件补焊的质量、使用寿命等方面有重要的影响。
[0004] 目前焊丝的生产技术相对成熟，其发展的关键点在于技术的优化、稳定，关键参数 的固化和生产流程的规范化等方面，且通过焊丝的大批量稳定生产来降低制造成本。现有 的国内钛合金焊丝标准GB/T30562-2014只是对焊丝化学成分、尺寸和表面质量等作出了简 单的规定。对比国内相关的技术要求可见，焊丝生产控制和质量水平远不能满足国际上公 认的钛合金焊丝的技术标准AMS4954的要求，导致高端焊丝尤其是航空航天用钛合金焊丝 基本依罪进口。
[0005] 与本发明最接近的专利是"一种Ti-6A1-4VELI钛合金专用Ti-6A1-3V焊丝及其加 工工艺"（专利号：201510352696.9)，该方法是将钛合金线坯热处理后拉伸成丝材半成品， 经碱洗、酸洗后，矫直、切断，打磨成直丝成品。本发明提供一种适用于钛合金铸件补焊用的 Ti-6A1-4V合金焊丝的制备工艺，该工艺对焊丝生产工艺和检测手段进行严格管控，去掉焊 丝生产中经常采用的碱洗、酸洗过程，从而避免了碱洗、酸洗工艺带来的环境污染和加重工 人防护负担的问题，并且在制造工艺中加入检测过程，例如在一次乳制后进行超声波探伤 检测，在关键步骤后进行富氧层检测等，保证焊丝满足高端需求。本发明提供的工艺采用的 是热拉拔与冷加工结合的方法，获得的焊丝质量一致性好，无氢脆等潜在缺陷的产生。申请 号200510124907.X的日本大同特殊钢株式会社提供了一种包括Ti或Ti合金的焊丝。焊丝具 有表面富氧层以及具有至少一种碱金属和碱土金属的金属化合物。而本发明提供的焊丝是 按照AMS4954的要求，无富氧层，且焊丝采用堆焊的方式为钛合金铸件补焊，不能引入不必 要的其它成分。总之，采用本工艺生产的焊丝完全满足AMS4954的要求，提升了焊丝生产的 标准规范等要求，填补了高端航空用钛合金铸件补焊用焊丝的国内空白。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是发明一种适用于钛合金铸件补焊用的Ti-6A1_4V合金焊丝的制备 工艺，可满足钛合金铸件对焊丝的国际化标准需求、降低成本和摆脱对国外钛合金焊丝的 依赖，提高钛合金铸件用焊丝制造技术成熟度和自主保障能力，同时可显著提升钛合金铸 件的制造质量和使用寿命。
[0007] 本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:适用于钛合金铸件补焊用的 Ti-6A1_4V合金焊丝的制备方法，包含下列步骤:Sl合金焊丝原料混合压制成电极，熔炼制 成合金铸锭;S2铸锭均匀化退火处理;S3将步骤S2产物加热到1050 °C~1150 °C开坯锻造，终 锻温度多830°C ; S4将步骤S3产物进行乳制，并使用超声波探伤；S5将步骤S4产物进行一次 大变形两次乳制，加热并保温，终乳温度多800°C，进行超声波探伤处理;S6将步骤S5产物热 拉拔规圆并做表面处理;S7将步骤S6产物进行控温热拉拔;S8将步骤S7产物进行冷拉拔后 进行退火;S9将步骤S8产物进行滑块矫直，矫直切断，去应力退火、磨光即得成品
[0008] 优选地，所述步骤Si中的所述钛合金丝材原料为:海绵钛、铝钒合金、铝豆、铁粉以 及二氧化钛。
[0009] 优选地，所述步骤S5的加热温度为895°C~955°C，保温时间为60~90min。
[0010] 优选地，所述步骤S7中所述控温热拉拔的条件为温度控制在700~800°C，拉拔道 次为10-17次，道次变形量7-20%拉拔速度lm/min-6m/min;当总变形量在55%-75%时增加 一次中间退火处理，720~750 °C/60min大气退火，空冷。
[0011]优选地，所述步骤S8中冷拉拔条件为:拉拔道次为4-6次，道次变形量10-20%，拉 拔速度 2m/min-10m/min〇
[0012] 本发明还保护适用于钛合金铸件补焊用的Ti-6A1_4V合金焊丝，所述合金焊丝由 上述制备方法制成，其质量百分比成分为:Al :5.50%~6.75 %; V: 3.50 %~4.50%; 0:彡 0.18%;Fe 彡 0.25%;余量为 Ti。
[0013] 优选地，所述钛合金丝含有下列质量百分比成分中的一种或多种：C:0.011~ 0·014;0:0·10~0·13;Ν:0·0068~O·080;H:O·0006~O·0008。
[0014] 优选地，所述钛合金丝的直径为l-5mm。
[0015] 本发明还保护一种焊丝，其中包含所述的适用于钛合金铸件补焊用的Ti-6A1_4V 合金焊丝。
[0016] 本发明的优点和积极效果是:本发明提供用于制造一种钛合金铸件补焊用的焊丝 的制备工艺，通过结合制备铸锭、锻造、热乳、冷拉拔、热处理和精加工工序，能够实现批量 化生产，达到了制造高端焊丝的性能要求。
[0017] 1.通过熔炼、铸造获得成分符合要求、形状和尺寸适于后面加工的铸锭，然后通过 热挤压加工迅速而节能地改变铸锭的外形和尺寸，并使其内部组织发生变化以提高其承受 冷加工的能力，最后通过冷加工获得符合使用要求的几何尺寸和力学性能。
[0018] 2.铸锭在热加工之前进行的均匀化退火(或称均匀化处理），是把铸锭装入专用的 炉子中，在稍低于该合金熔点的温度下保持一段时间，借助金属原子在高温下所具有的较 强的扩散能力，消除铸造时急冷造成的合金成分和组织的不均匀性。
[0019] 3.产品是用于大型钛合金铸件补焊用的焊丝，凡焊丝表面存在的氧化物、杂质和 污垢，以及由于在加工过程中形成的擦划伤痕而在焊丝贮存期间产生的腐蚀产物，均可能 在焊接时进入焊缝，降低型材相互之间的连接强度，因此，为了切实保证铸件牢固可靠，应 当通过表面光化处理，去掉焊丝表面存在的一切缺陷。与目前国内外常用的酸碱洗的表面 化学光化处理不同，本发明采用无心磨这种机械方式去除丝材受污染的表面，既去除了表 面脏物，又防止了丝材在后续存放时表面的进一步腐蚀，有利于丝材质量的稳定和提高。
【附图说明】
[0020]图1为使用本发明进行焊接的示意图；
[0021]图2为焊缝表面不意图；
[0022]图3为荧光测试结果；
[0023]图4为X光检测结果；
[0024]图5为富氧层检测结果。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图、通过具体实施例对本发明作进一步详述。以下实施例只是描述性 的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0026] -种适用于钛合金铸件补焊用的Ti-6A1_4V合金焊丝的制备工艺，其特征是按照 如下步骤实施：
[0027] (1)本发明范围内的Ti-6A1-4V合金的成分控制（重量百分比）满足GB/T 3623- 2007:Al :5.50%~6.75% ;V:3.50%~4.50% ;0:彡0.18% ;Fe彡0.25%;余量为Ti和不可 避免的杂质元素。
[0028] (2)本发明成分范围内钛合金的冶炼工艺如下:原材料采用1级海绵钛，将海绵钛、 铝钒合金(产品粒度0.50-3.0mm)、铝豆、铁粉(使用分析纯类化学试剂）、二氧化钛(呈粉末 状，凝结成小块状不能使用），按如下流程进行熔炼:原料-配料-布料-压电极-烘干- 焊接-三次熔炼，制成0380mm合金铸锭。铸锭剔除表面缺陷。
[0029] (3)均匀化退火处理，将铸锭装入专用的退火炉子中，加热到1150°C~1250°C，保 温4小时以上。
[0030] (4)锻造开坯
[0031] 退火处理后的铸锭经电炉加热到I 0 5 0 °C~I 1 5 0 °C，开坯锻造（0 00 -0170 nrn)，终锻温度彡830°C，利于后续乳制变形组织的细化。
[0032] (5) -次乳制-超声波探伤
[0033] (6)-次大变形两次乳制（0:1雜-册5 _)，采用电炉加热至丨J900°C~950°C(±5 °C)，保温时间60~90min，终乳温度多8〇〇°(：。065唧1棒材进行超声波探伤处理。
[0034] (7)二次乳制（065 imn)采用电炉加热到900°C~950°C(±5°C)，保温 时间60~90min，终乳温度彡800°C。
[0035] (8)热拉拔规圆，将012mm的坯料经过控温热拉拔规圆，控制棒材表面尺寸均匀。
[0036] (9)表面处理，经表面机械扒皮，削掉表面黑皮、裂纹等乳制缺陷，对局部遗留少量 缺陷进行修磨处理干净。
[0037] (10)控温热拉拔，实际控温温度控制在700~800°C，拉拔道次为10-17次，道次变 形量7-20%拉拔速度1111/1^11-6111/1^11。当总变形量在55%-75%时增加一次中间退火处理， 720~750°C/60min大气退火，空冷，以消除加工产生应力，改善其综合性能。热拔中间增加 棒丝材取样频率，检验棒丝材表面污染层状况;冷拉拔热处理前后取样，检验棒丝材表面污 染层状况。
[0038] (11)冷拉拔:控温热拉拔预留40%_60%的冷拔变形量，经完全退火，拉拔涂层，进 行冷拉拔加工，拉拔道次为4-6次，道次变形量10-20%，拉拔速度2m/min-10m/min。大气退 火，空冷，以消除加工产生应力，改善其综合性能。
[0039] (12)冷拉拔至0:1. 5Omm_05. 60mm半成品后进行完全退火。
[0040] (13)经滑块矫直(直度彡1.0mm/m)，矫直切断，700°C以上去应力退火、无心磨磨光 成 01mnr_05mm 成品。
[0041]无心磨前后检验棒丝材表面污染层状况;并增加用刮刀处理合格矫直后样品，与 无心磨工序加工后的产品表面质量及表面污染层进行对比，检验是否有外来污染带入产 品。无心磨：用M1050#无心磨床加工，砂轮材质为绿色碳化娃，磨削砂轮采用120目粒度，砂 轮转速控制在40r/min~120r/min范围内，无心磨道次磨削量磨控制在0.12mm以内，保证产 品表面质量及尺寸公差满足产品质量要求。
[0042] (14)按照AMS4954J标准相关检验、检测要求，检查检验成品。
[0043] 应用本发明提供的制造方法所制造的Ti-6A1-4V合金丝材，经过可焊性验证，完全 满足制作钛合金铸件补焊用焊丝的性能要求。
[0044] 结果与讨论：
[0045] 1.焊丝化学成分如表1所示：
[0046] 表1焊丝化学成分
[0048] 2.焊丝表面
[0049] 焊丝表面均匀、光亮，与Kodak灰度标准卡比对，〈0.3。
[0050] 3.可焊性
[0051] 如图1所示，焊接采用手工钨极氩弧焊，先在与焊丝相同材质钛合金板材上加工出 Φ4的半圆槽，然后两层堆焊的方式进行。
[0052] 结论:焊接过程中焊丝材无飞溅，焊道静止，表面无焊渣及残渣，最终焊缝光亮，焊 接波纹均匀，表面光滑，无明显的气孔缩松等缺陷。
[0053] 4.焊缝检测
[0054] 4.1)焊缝表面如图2所示，焊缝表面呈亮银色，表面无咬边、凹坑、弧坑等缺陷。
[0055] 4.2)荧光检测如图3所示，荧光检测显示焊缝表面无孔洞、裂纹等缺陷。
[0056] 4.3)X光检测如图4所示，X光检测显示焊缝无夹杂、气孔、未融合等缺陷。
[0057] 5富氧层检测如图5所示，无富氧层。
[0058]从以上实施实例可以看出，采用本发明制备的Ti-6A1-4V合金焊丝符合AMS4954J 中关于焊丝可焊性相关要求。生产均采用常规工艺，工艺简单，成材率高，因而成本较低。该 焊丝应用前景比较广阔，有望取得可观的经济和社会效益。
【主权项】
1. 适用于钛合金铸件补焊用的Ti-6A1-4V合金焊丝的制备方法，其特征在于，包含下列 步骤： S1合金焊丝原料混合压制成电极，恪炼制成合金铸锭； S2铸锭均匀化退火处理； S3将步骤S2产物加热到1050°C~1150°C开坯锻造，终锻温度彡830°C ; S4将步骤S3产物进行乳制，并使用超声波探伤； S5将步骤S4产物进行一次大变形两次乳制，加热并保温，终乳温度多800°C，进行超声 波探伤处理； S6将步骤S5产物热拉拔规圆并做表面处理； S7将步骤S6产物进行控温热拉拔； S8将步骤S7产物进行冷拉拔后进行退火； S9将步骤S8产物进行滑块矫直，矫直切断，去应力退火、磨光即得成品。2. 根据权利要求1所述的适用于钛合金铸件补焊用的Ti-6A1-4V合金焊丝的制备方法， 其特征在于，所述步骤S1中的所述钛合金丝材原料为:海绵钛、铝钒合金、铝豆、铁粉以及二 氧化钛。3. 根据权利要求1所述的适用于钛合金铸件补焊用的Ti-6A1-4V合金焊丝的制备方法， 其特征在于，所述步骤S5的加热温度为895°C~955°C，保温时间为60~90min。4. 根据权利要求1所述的适用于钛合金铸件补焊用的Ti-6A1-4V合金焊丝的制备方法， 其特征在于，所述步骤S7中所述控温热拉拔的条件为温度控制在700~800°C，拉拔道次为 10-17次，道次变形量7-20 %拉拔速度lm/min-6m/min; 当总变形量在55 %-75 %时增加一次中间退火处理，720~750°C/60min大气退火，空 冷。5. 根据权利要求1所述的适用于钛合金铸件补焊用的Ti-6A1-4V合金焊丝的制备方法， 其特征在于，所述步骤S8中冷拉拔条件为:拉拔道次为4-6次，道次变形量10-20 %，拉拔速 度2m/min-10m/min〇6. 适用于钛合金铸件补焊用的Ti-6A1-4V合金焊丝，其特征在于，所述合金焊丝由权 利要求1-5中任一权利要求所述的制备方法制成，其质量百分比成分为：A1:5.50%~ 6.75% ;V:3.50% ~4.50% ;0:彡0.18% ;Fe彡0.25% ;余量为Ti。7. 根据权利要求1所述的适用于钛合金铸件补焊用的Ti-6A1-4V合金焊丝，其特征在 于，所述钛合金丝含有下列质量百分比成分中的一种或多种:C:0.011~0.014 10~ 0·13;N:0·0068~0·080;Η:0·0006~0·0008。8. 根据权利要求6或7所述的适用于钛合金铸件补焊用的Ti-6A1-4V合金焊丝，其特征 在于，所述钛合金丝的直径为l_5mm。9. 一种焊丝，其中含有权利要求6或7所述的适用于钛合金铸件补焊用的Ti-6A1-4V合 金焊丝。
【文档编号】C22F1/18GK106041369SQ201610374023
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】钟功诚, 白树玉, 陶晓杰, 徐春宝, 姜辉军
【申请人】大连盛辉钛业有限公司