本发明属于焊接技术领域，具体地说，涉及一种高熵合金预制体及其用于钛与不锈钢的熔焊方法。
背景技术：
钛及钛合金具有比强度高、密度低、耐高温、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、石油化工、医疗等领域，但由于金属钛冶金技术复杂、价格昂贵，限制了其大规模推广应用。钢具有许多优良性能而且价格较低，但是钢的耐蚀性差、比重大，在某些特殊领域难以应用。钛和钢的复合结构可以同时具备钛和钢的优点，最大限度的发挥二者在性能与经济上的互补优势，在众多领域有广阔的应用前景。例如在海底油田工程中，各种设备都是在含硫、盐水等腐蚀环境中运作的，承受载荷的部件用钢制造，而防腐层则用钛来制造。
制备钛及钛合金与钢的复合构件，关键是要解决钛和钢的连接问题。由于钛和钢的线膨胀率和热导率相差较大，而且ti和fe互溶性差，使焊缝易生成裂纹，强度较低。同时会产生大量脆性金属间化合物(tife、tife2、tic等)。目前，大多通过添加v、cu/v等中间层阻止脆性金属间化合物的产生，但是无法避免金属间化合物的产生，接头的性能依然不高。钛/钢的熔化焊接属于异种金属之间的焊接，欲从源头杜绝脆性金属间化合物产生，使用合适焊接材料是解决问题的关键，也是提高钛/钢焊接接头质量的根本出路。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高熵合金预制体，解决现有焊接方法易形成硬脆的金属件化合物，不易获得高性能的钛-钢复合结构的问题。
本发明的另一个目的是提供一种钛与不锈钢的熔焊方法。
为了实现上述目的，本发明公开了一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：ti为5～10％，ni为30～35％，cr为10～15％，co为30～35％，fe取余量，各组分原子百分比之和为100％。
优选地，一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：ti为5～8％，ni为32～33％，cr为10～14％，co为32～34％，fe取余量，各组分原子百分比之和为100％。
优选地，一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：ti为5％，ni为33％，cr为10％，co为34％，fe取余量，各组分原子百分比之和为100％。
优选地，一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：ti为8％，ni为32％，cr为14％，co为32％，fe取余量，各组分原子百分比之和为100％。
优选地，一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：ti为6％，ni为32％，cr为13％，co为32％，fe取余量，各组分原子百分比之和为100％。
本发明公开了一种钛与不锈钢的熔焊方法，所使用的中间层合金为上述高熵合金预制体，具体步骤包括：
将高熵合金预制体放置于待焊接的钛板和不锈钢板材之间，然后分别利用脉冲氩弧焊机进行焊接。
优选地，高熵合金预制体的制备方法具体为：
按照原子百分比组成，其中ti为5～10％，ni为30～35％，cr为10～15％，co为30～35％，fe为余量，原子百分比总和为100％；
将上述的原子百分比换算为质量百分比，按照质量百分比称取各组分的高纯金属，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，最后通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
优选地，具体熔焊方法为：
将高熵合金预制体放置于待焊接的钛板和不锈钢板材之间，高熵合金预制体作为高熵中间层合金，钛板、不锈钢板材与高熵合金预制体之间分别开45°v形坡口，然后分别使用焊材、利用脉冲氩弧焊进行熔焊焊接。
优选地，钛板与高熵合金预制体熔焊使用的焊材成分与高熵合金预制体的组成相对应。
优选地，不锈钢板材与高熵合金预制体熔焊使用的焊材成分与高熵合金预制体的组成相对应。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
本发明高熵合金预制体，本身为高熵合金，和传统单一中间层材料有所不同，焊后所形成的焊缝亦为高熵合金，只是焊缝中的ti与fe的含量显著高于高熵合金预制体初始值，这是由于不锈钢母材熔入焊缝导致的无法避免的一种现象；试验证明，使用本发明高熵合金预制体熔焊焊接钛板和不锈钢板材，形成的焊缝基本上消除了脆性金属间化合物，焊缝中心由(ti，fe，ni，cr，co)固溶体组成，为单一固溶体结构，接头性能较高。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明公开了一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：ti为5～10％，ni为30～35％，cr为10～15％，co为30～35％，fe取余量，各组分原子百分比之和为100％。
高熵合金预制体的制备方法具体为：
按照原子百分比组成，其中ti为5～10％，ni为30～35％，cr为10～15％，co为30～35％，fe为余量，原子百分比总和为100％；
将上述的原子百分比换算为质量百分比，按照质量百分比称取各组分的高纯金属，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，最后通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
本发明公开的高熵合金预制体，成分中各元素的组成及含量限定理由是：为了提高台-钢复合结构接头的综合力学性能，高熵合金预制体的选择为ti-fe-ni-cr-co五主元合金系，主要原因有两点：①焊接过程中不锈钢板材熔化并向中间层熔化形成的液态熔池中溶解不可避免，但由于钛板(ta2)熔点较高，焊接过程中ta2少量熔化，因此为预防焊缝形成脆性金属间化合物，中间层须含有ti、fe、ni、cr主元；②通过在合金中添加co元素，形成高熵合金，改善焊缝与ta2母材的熔合性。
本发明高熵合金预制体，本身为高熵合金，和传统单一中间层材料有所不同，焊后所形成的焊缝亦为高熵合金，只是焊缝中的ti与fe的含量显著高于高熵合金预制体初始值，这是由于不锈钢母材熔入焊缝导致的无法避免的一种现象；试验证明，使用本发明高熵合金预制体熔焊焊接钛板和不锈钢板材，形成的焊缝基本上消除了脆性金属间化合物，焊缝中心由(ti，fe，ni，cr，co)固溶体组成，为单一固溶体结构，接头性能较高。
本发明公开的钛板与不锈钢板材熔焊的具体熔焊方法为：
将高熵合金预制体放置于待焊接的钛板和不锈钢板材之间，高熵合金预制体作为高熵中间层合金，钛板、不锈钢板材与高熵合金预制体之间分别开45°v形坡口，然后分别使用焊材、利用脉冲氩弧焊进行熔焊焊接。
本发明应用高熵效应焊接钛板与不锈钢板的方法，高熵合金预制体作为高熵中间层合金，钛板、不锈钢板材与高熵合金预制体之间分别开45°v形坡口。该方法的工作原理是：在两块待焊板材(本发明分别以ta2板材与0cr18ni9板材为例)之间放置高熵合金预制体。钨极氩弧焊过程中，高熵预制体及局部母材熔化，熔化金属相混融，其熔融金属处在高熵合金成分范围，凝固后形成具有单相固溶体结构、而无金属间化合物产生的高熵焊缝，实现焊缝高熵化，实现ta2/0cr18ni9的高性能焊接。
实施例1
一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：ti为5％，ni为33％，co为34％，cr为10％，fe为余量，总的百分比为100％；
将上述的原子百分比换算为质量百分比，按照质量百分比称取各组分的高纯金属，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，最后通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
在两块待焊板材(分别是ta2板材与0cr18ni9板材)之间放置一块高熵合金预制体。高熵合金预制体作为高熵中间层合金，ta2板材、0cr18ni9板材与高熵合金预制体之间分别开45°v形坡口；
焊接ta2板与高熵合金预制体使用焊材成分为ti2ni33fe21cr10co34，在焊接电流为i＝65a，焊接速度v＝60mm/min、氩气流量q＝12l/min的条件下进行焊接；
焊接0cr18ni9薄板与高熵合金预制体时使用焊材成分为ti8ni30fe15cr15co32，在焊接电流为i＝60a，焊接速度v＝55mm/min、氩气流量q＝12l/min的条件下进行焊接。
经检测，最终得到的接头抗拉强度约为220mpa。
实施例2
一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：ti为8％，ni为32％，cr为14％，co为32％，fe为余量，总的百分比为100％；
将上述的原子百分比换算为质量百分比，按照质量百分比称取各组分的高纯金属，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，最后通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
在两块待焊板材(分别是ta2板材与0cr18ni9板材)之间放置一块高熵合金预制体。高熵合金预制体作为高熵中间层合金，ta2板材、0cr18ni9板材与高熵合金预制体之间分别开45°v形坡口。
焊接ta2板与高熵合金预制体使用焊材成分为ti5ni33fe18cr10co34，在焊接电流为i＝65a，焊接速度v＝60mm/min、氩气流量q＝12l/min的条件下进行焊接；
焊接0cr18ni9薄板与高熵合金预制体时使用焊材成分为ti10ni30fe15cr13co32，在焊接电流为i＝60a，焊接速度v＝55mm/min、氩气流量q＝12l/min的条件下进行焊接。
经检测，最终得到的焊接接头抗拉强度约为280mpa。
实施例3
一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：ti为10％，ni为32％，cr为13％，co为32％，fe为余量，总的百分比为100％；
将上述的原子百分比换算为质量百分比，按照质量百分比称取各组分的高纯金属，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，最后通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
在两块待焊板材(分别是ta2板材与0cr18ni9板材)之间放置块的高熵合金预制体。高熵合金预制体作为高熵中间层合金，ta2板材、0cr18ni9板材与高熵合金预制体之间分别开45°v形坡口。
焊接ta2板与高熵合金预制体使用焊材成分为ti8ni30fe18cr12co32，在焊接电流为i＝65a，焊接速度v＝60mm/min、氩气流量q＝12l/min的条件下进行焊接；
焊接0cr18ni9薄板与高熵合金预制体时使用焊材成分为ti12ni28fe15cr13co32，在焊接电流为i＝60a，焊接速度v＝55mm/min、氩气流量q＝12l/min的条件下进行焊接。
经检测，最终得到的焊接接头抗拉强度约为260mpa。
实施例4
一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：ti为7％，ni为30％，co为35％，cr为12％，fe为余量，总的百分比为100％；
将上述的原子百分比换算为质量百分比，按照质量百分比称取各组分的高纯金属，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，最后通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
在两块待焊板材(分别是ta2板材与0cr18ni9板材)之间放置一块高熵合金预制体。高熵合金预制体作为高熵中间层合金，ta2板材、0cr18ni9板材与高熵合金预制体之间分别开45°v形坡口；
焊接ta2板与高熵合金预制体使用焊材成分为ti2ni33fe21cr10co34，在焊接电流为i＝65a，焊接速度v＝60mm/min、氩气流量q＝12l/min的条件下进行焊接；
焊接0cr18ni9薄板与高熵合金预制体时使用焊材成分为ti8ni30fe15cr15co32，在焊接电流为i＝60a，焊接速度v＝55mm/min、氩气流量q＝12l/min的条件下进行焊接。
经检测，最终得到的接头抗拉强度约为240mpa。
实施例5
一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：ti为6％，ni为32％，cr为13％，co为32％，fe为余量，总的百分比为100％；
将上述的原子百分比换算为质量百分比，按照质量百分比称取各组分的高纯金属，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，最后通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
在两块待焊板材(分别是ta2板材与0cr18ni9板材)之间放置一块高熵合金预制体。高熵合金预制体作为高熵中间层合金，ta2板材、0cr18ni9板材与高熵合金预制体之间分别开45°v形坡口。
焊接ta2板与高熵合金预制体使用焊材成分为ti5ni33fe18cr10co34，在焊接电流为i＝65a，焊接速度v＝60mm/min、氩气流量q＝12l/min的条件下进行焊接；
焊接0cr18ni9薄板与高熵合金预制体时使用焊材成分为ti10ni30fe15cr13co32，在焊接电流为i＝60a，焊接速度v＝55mm/min、氩气流量q＝12l/min的条件下进行焊接。
经检测，最终得到的焊接接头抗拉强度约为270mpa。
实施例6
一种高熵合金预制体，按原子百分比由以下组分组成：ti为9％，ni为35％，cr为15％，co为30％，fe为余量，总的百分比为100％；
将上述的原子百分比换算为质量百分比，按照质量百分比称取各组分的高纯金属，将各个组分混匀在超高真空电弧炉中进行熔配，按照各种元素熔点由低到高的顺序依次放入坩埚内，保证熔点最低的元素放置在样品槽的最下层，熔点最高的元素原料放置在最上层，以确保把高熔点的元素原料完全熔透制得高熵合金，最后通过机械加工制备成宽度为4mm的预制体。
在两块待焊板材(分别是ta2板材与0cr18ni9板材)之间放置块的高熵合金预制体。高熵合金预制体作为高熵中间层合金，ta2板材、0cr18ni9板材与高熵合金预制体之间分别开45°v形坡口。
焊接ta2板与高熵合金预制体使用焊材成分为ti8ni30fe18cr12co32，在焊接电流为i＝65a，焊接速度v＝60mm/min、氩气流量q＝12l/min的条件下进行焊接；
焊接0cr18ni9薄板与高熵合金预制体时使用焊材成分为ti12ni28fe15cr13co32，在焊接电流为i＝60a，焊接速度v＝55mm/min、氩气流量q＝12l/min的条件下进行焊接。
经检测，最终得到的焊接接头抗拉强度约为230mpa。
综上所述，本发明的高熵预制体应用于ta2/0cr18ni9的焊接，获得简单固溶体结构，焊缝不产生金属间化合物，接头的性能明显提高；该预制体的制备方法，工艺简单，成本低廉；应用该预制体焊接ta2/0cr18ni9工艺简单，易操作，焊缝成形美观，焊接区无裂纹，对于避免金属间化合物的产生起到了有益的效果。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。