用于TIG焊钛/不锈钢的高熵合金焊丝及应用

摘要

本发明公开了一种用于TIG焊钛/不锈钢的高熵合金焊丝，由以下组分按原子百分比组成，总的百分比为100％，其中Ti固定为5％，Fe为5％-10％，Cr为25％-30％，Cu为25％-35％，Ni为25％-35％。本发明还公开了应用该高熵合金焊丝对钛/不锈钢的TIG焊方法。本发明的焊接材料成本低，制备简单，焊接方法方便易行，适应性广，得到的钛与不锈钢焊接接头焊缝成形性好、无裂纹、强度高、韧性好。

权利要求

1.一种用于TIG焊钛/不锈钢的高熵合金焊丝，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％，其中Ti固定为5％，Fe为6％，Cr为29％，Cu为25％，Ni为35％。

2.一种应用权利要求1所述的高熵合金焊丝对钛/不锈钢的TIG焊方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1)对钛/不锈钢的母材分别开坡口处理，钛与不锈钢焊接处坡口的总开口角度为

60°；

步骤2)清理、打磨坡口，去除两种母材表面的油污和杂质；

步骤3)在钛与不锈钢下表面安装垫板，垫板上表面横向设置有Ar气导流槽，将钛与不锈钢同时与垫板固定牢靠，并使得钛与不锈钢的缝隙位于垫板上表面的Ar气导流槽中心线正上方；

步骤4)对钛与不锈钢的坡口位置实施双面通Ar气保护，焊前预先通入氩气3～5s；

步骤5)实施TIG焊，工艺参数是：焊前将母材预热到140-160℃，焊接电流为65-80A，焊接速度50-60mm/min；

步骤6)焊后继续通入Ar气3-5s，再迅速松开固定设备及垫板，即成。

说明书

用于TIG焊钛/不锈钢的高熵合金焊丝及应用

技术领域

[0001] 本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种用于TIG焊钛/不锈钢的高熵合金焊丝，本发明还涉及应用该高熵合金焊丝对钛/不锈钢的TIG焊方法。

背景技术

[0002] 重要化工容器、跨海大桥的桥柱及超大型浮式海洋结构的防腐蚀衬板，几乎都是采用钛包覆不锈钢的复合结构，制备钛/不锈钢复合结构件的关键是要解决钛与不锈钢的焊接问题。

[0003] 目前，用于焊接钛/不锈钢的主要方法是氩弧焊，由于钛和钢的线膨胀系数、热导率等物理和化学性能存在较大差异，焊接区极易形成裂纹，焊缝形成大量硬脆的金属间化合物(TiFe、TiFe2、NiTi、TiCr、TiC)，接头强度较低。

[0004] 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。

[0005] 高熵合金突破了传统合金的设计模式，借助高熵效应，使合金的结构组织趋于单一bcc或fcc固溶体，可有效抑制金属间化合物的产生，为实现钛/钢的高性能熔接提供了全新的技术思路。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种用于TIG焊钛/不锈钢的高熵合金焊丝，解决了现有技术中存在的钛与不锈钢直接熔焊时，焊缝中易形成大量脆性金属间化合物而导致开裂，强度较低的问题。

[0007] 本发明的另一目的是提供一种应用该高熵合金焊丝对钛/不锈钢的TIG焊方法。

[0008] 本发明所采用的技术方案是，一种用于TIG焊钛/不锈钢的高熵合金焊丝，由以下组分按原子百分比组成，总的百分比为100％，其中Ti固定为5％，Fe为5％-10％，Cr为25％-30％，Cu为25％-35％，Ni为25％-35％。

[0009] 本发明采用的另一技术方案是，一种应用该高熵合金焊丝对钛/不锈钢的TIG焊方法，按照以下步骤实施：

[0010] 步骤1)对钛/不锈钢的母材分别开坡口处理；

[0011] 步骤2)清理、打磨坡口，去除两种母材表面的油污和杂质；

[0012] 步骤3)在钛与不锈钢下表面安装垫板，垫板上表面横向设置有Ar气导流槽，将钛与不锈钢同时与垫板固定牢靠，并使得钛与不锈钢的缝隙位于垫板上表面的Ar气导流槽中心线正上方；

[0013] 步骤4)对钛与不锈钢的坡口位置实施双面通Ar气保护，焊前预先通入氩气3～5s；

[0014] 步骤5)实施TIG焊；

[0015] 步骤6)焊后继续通入Ar气3-5s，再迅速松开固定设备及垫板，即成。

[0016] 本发明的有益效果是，该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相，易于获得高性能的钛/不锈钢焊接接头；使用该高熵合金焊丝的焊接工艺简单，不需事先在钛侧熔敷过渡层，焊接过程中无需频繁更换焊丝和变换焊接参数，方便高效，高熵合金成分范围宽泛，对不同牌号母材金属适应性好，便于推广。

附图说明

[0017] 图1是本发明中钛与不锈钢焊接接头形式及坡口形状图；

[0018] 图2是本发明高熵合金焊丝在TIG焊过程中的焊接装配示意图。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0020] 本发明的用于TIG焊钛/不锈钢的高熵合金焊丝，由以下组分按原子百分比组成，总的百分比为100％，其中固定Ti为5％，Fe为5％-10％，Cr为25％-30％，Cu为25％-35％，Ni为25％-5％。

[0021] 在本发明的高熵合金焊丝成分中，对各化学元素组成及含量限定理由分别叙述如下：

[0022] 为了提高钛/不锈钢焊接接头的综合力学性能，需要获得焊缝金属化学成分处在形成高熵合金的主元含量范围。针对待焊母材钛和不锈钢的成分特点，焊丝选择Ti-Fe-Cr-Cu-Ni五主元高熵合金。主要原因有三点：①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，为防止焊缝产生脆性金属间化合物，焊缝目标成分中须含有Ti、Fe主元，而且这两种元素在焊丝中的含量要低于其它主元；由于Ti元素在焊缝中的溶解能力大于Fe，所以焊丝中Ti的含量较低，而Fe的含量则相对较高。②Cr元素既可以与Fe无限固溶，又可以平衡不锈不锈钢中的Cr元素。③Cu偏析于枝晶间，可提高接头塑性，Ni与Ti和Fe均可无限固溶，可有效抑制脆性金属间化合物产生。这样，应用选择的焊丝经过焊接过程，形成的焊缝金属任然属于高熵合金范围，基本上消除了脆性金属间化合物，得到的接头性能较高。

[0023] 称取各高纯金属组分，将上述组分混匀在超真空电弧炉中进行熔配，制得母合金，应用金属纺绩技术，将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高熵合金金焊丝。

[0024] 本发明应用该高熵合金焊丝对钛/不锈钢的TIG焊方法，按照以下步骤实施：

[0025] 步骤1)对钛-不锈钢的母材分别开坡口处理，图1所示实施例的钛与不锈钢焊接处坡口的总开口角度为60°，钛母材坡口的底端厚度为1mm；

[0026] 步骤2)认真清理、打磨坡口，去除两种母材表面尤其是坡口区域的油污和杂质；

[0027] 步骤3)依照图2装配母材，在钛与不锈钢下表面安装垫板，垫板上表面横向设置有Ar气导流槽，将钛与不锈钢同时与垫板固定牢靠，钛-不锈钢的母材之间的缝隙为1mm，并使得钛与不锈钢的缝隙位于垫板上表面的Ar气导流槽中心线正上方；

[0028] 步骤4)对钛与不锈钢的坡口位置实施双面通Ar气保护(Ar气纯度>99.9％)，即下面在Ar气导流槽中通Ar气，上面在坡口上口位置通Ar气，，焊前预先通入氩气3～5s；

[0029] 步骤5)实施TIG焊，工艺参数是：焊前将母材预热到140-160℃，Ar气流量为8-10L/min，焊接电流为65-80A，焊接速度为50-60mm/min；另外，在焊接过程中，控制电弧应略微偏向不锈钢一侧，使两侧母材熔化的更加均匀；

[0030] 步骤6)焊后继续通入Ar气3-5s，即在焊缝上下位置继续通Ar气，实现后滞保护，再迅速松开固定装置及垫板，防止焊缝产生应力裂纹，即成。

[0031] 实施例1

[0032] 依照总的原子百分比为100％，按照Ti为5％、Fe为5％、Cr为30％、Cu为30％、Ni为30％选取各组分含量，并按照上述实施方式制备出直径为1.2mm的Ti5Fe5Cr30Cu30Ni30高熵合金焊丝。应用TIG焊对5mm厚的TC4钛与1Cr18Ni9不锈钢进行焊接，焊接方法如上所述，具体焊接工艺参数为：焊前将母材预热到150℃，Ar气流量10L/min，焊接电流70A，焊接速度
60mm/min，Ar气后滞4s。

[0033] 检测发现：焊缝金属融合性好，熔合区无裂纹，经金相组织观察，焊缝组织从中心到两侧母材熔合线呈现梯度层状分布，熔合线附近为致密的等轴晶和柱状晶，然后以树枝晶形式向焊缝中心生长，相结构由单一的fcc和bcc组成，获得焊接接头的抗拉强度为220Mpa。

[0034] 实施例2

[0035] 依照总的原子百分比为100％，按照Ti为5％、Fe为10％、Cr为25％、Cu为30％、Ni为30％的数据选取各组分含量，并按照上述实施方式制备出直径为1.4mm的Ti5Fe10Cr25Cu30Ni30高熵合金焊丝。应用TIG焊对5mm厚的TB5钛与0Cr13不锈钢进行焊接，焊接方法如上所述，具体焊接工艺参数为：焊前将母材预热到150℃，Ar气流量9L/min，焊接电流75A，焊接速度60mm/min，Ar气后滞3s。

[0036] 检测发现：焊缝金属融合性好，接头饱满，无表面气孔、夹杂等缺陷，熔合区无裂纹，经金相组织观察，焊缝组织基本为致密的等轴晶和树枝晶，获得焊接接头的抗拉强度为190Mpa。

[0037] 实施例3

[0038] 依照总的原子百分比为100％，按照Ti为5％、Fe为8％、Cr为28％、Cu为29％、Ni为30％的数据选取各组分元素含量，并按照上述实施方式制备出直径为1.2mm的Ti5Fe8Cr28Cu29Ni30高熵合金焊丝。应用TIG焊对5mm厚的TA2钛与0Cr13不锈钢进行焊接，焊接方法如上所述，具体焊接工艺参数为：焊前将母材预热到140℃，Ar气流量9L/min，焊接电流70A，焊接速度50mm/min，Ar气后滞4s。

[0039] 检测发现：焊缝金属融合性好，熔合区无裂纹、气孔和夹杂等缺陷，经金相组织观察，焊缝组织基本为致密的等轴晶和树枝晶，相结构为单一fcc固溶体，获得焊接接头的抗拉强度为185Mpa。

[0040] 实施例4

[0041] 依照总的原子百分比为100％，按照Ti为5％、Fe为6％、Cr为29％、Cu为25％、Ni为35％的数据选取各组分含量，并按照上述实施方式制备出直径为1.2mm的Ti5Fe6Cr29Cu25Ni35高熵合金焊丝。应用TIG焊对5mm厚的TC4钛与0Cr13不锈钢进行焊接，焊接方法如上所述，具体焊接工艺参数为：焊前将母材预热到150℃，Ar气流量9L/min，焊接电流65A，焊接速度55mm/min，Ar气后滞4s。

[0042] 检测发现：焊缝金属融合性好，熔合区无裂纹，经金相组织观察，焊缝组织基本为致密的等轴晶和树枝晶，获得焊接接头的抗拉强度为185Mpa。

[0043] 实施例5

[0044] 依照总的原子百分比为100％，按照Ti为5％、Fe为5％、Cr为25％、Cu为30％、Ni为35％的数据选取各组分含量，并按照上述实施方式制备出直径为Φ1.2mm的Ti5Fe8Cr28Cu29Ni30高熵合金焊丝。应用TIG焊对5mm厚的TA2钛与1Cr18Ni9不锈钢进行焊接，焊接方法如上所述，具体焊接工艺参数为：焊前将母材预热到160℃，Ar气流量9L/min，焊接电流70A，焊接速度60mm/min，Ar气后滞4s。

[0045] 检测发现：焊缝金属融合性好，熔合区无裂纹，经金相组织观察，焊缝组织基本为致密的等轴晶和树枝晶，获得焊接接头的抗拉强度约为185Mpa。

[0046] 综上所述，本发明的高熵合金，应用真空电弧熔炼制作，成分配比宽泛，急冷快速凝固得到的高熵合金焊丝成分均匀，应用在TIG焊中施焊工艺简单，焊后的接缝性能符合要求。