專利名稱：應(yīng)用高熵效應(yīng)焊接鈦與鋼的方法及焊接材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用高熵效應(yīng)焊接鈦與鋼的方法，本發(fā)明還涉及前述的應(yīng)用高熵效應(yīng)焊接鈦與鋼方法所用的焊接材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
鈦及其合金比強度高，耐蝕性能好，是重要的宇航結(jié)構(gòu)材料。但因鈦金屬價格較高，限制了其進一步的發(fā)展應(yīng)用。鋼的價格低 性的異種材料連接件，如核動力裝置中核燃料后處理設(shè)備中的某些零件、衛(wèi)星燃料噴注器及姿態(tài)推動控制系統(tǒng)中的部件等，近來又在嘗試用作海洋結(jié)構(gòu)件如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，襯板幾乎都是用鈦包覆鋼。鈦-鋼復合結(jié)構(gòu)價格相當于鈦材的25 35%。鈦-鋼復合結(jié)構(gòu)既充分發(fā)揮基層和覆層各自材料的優(yōu)點，也是節(jié)約貴金屬最好的途徑，在提高材料利用率、減輕結(jié)構(gòu)重量、降低成本等方面具有明顯的社會效應(yīng)和經(jīng)濟效應(yīng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，鈦-鋼復合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用勢必涉及到鈦與鋼的焊接問題。由于鈦和鋼之間的線膨脹系數(shù)、熱導率等物理和化學性能存在較大差異，焊接過程中極易形成裂紋，焊縫形成大量硬脆的金屬間化合物(TiFe、TiFe2、NiTi、TiCr)及鈦與碳生成脆性化合物TiC，焊接接頭強度較低。鈦與鋼的焊接難度較大，鈦/鋼焊接難題多年來一直未能得到有效地解決，制約了鈦-鋼復合結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域的推廣及廣泛應(yīng)用。目前，用于鈦/鋼焊接的主要方法是熔化焊、壓力焊(包括擴散焊和爆炸焊)和釬焊。這幾種方法均能將鈦/鋼焊在一起，但上述方法或因焊接工藝很難控制、或因脆性金屬間化合物導致接頭性能不佳而使其不能廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用高熵效應(yīng)焊接鈦與鋼的方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)或因焊接工藝很難以控制、或因脆性金屬間化合物導致接頭性能不佳的問題。本發(fā)明的第二個目的在于提供一種上述方法所使用的焊接材料。本發(fā)明的第三個目的在于提供一種上述的焊接材料的制備方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種應(yīng)用高熵效應(yīng)焊接鈦與鋼的方法，在兩塊鈦與鋼待焊板材之間放置折疊過的中間層合金箔材，采用電阻點焊方式進行焊接操作，實現(xiàn)鈦與鋼的高性能焊接；所述的中間層合金，由以下組分按原子百分比組成總的百分比為100%，其中 Al 為 20 30%，Ni 為 35 40%，Cu 為 35 40%。本發(fā)明所采用的第二個技術(shù)方案是，一種應(yīng)用于上述方法的焊接材料，由以下組分按原子百分比組成總的百分比為100%，其中Al為20 30%，Ni為35 40%，Cu為35 40%。本發(fā)明所采用的第三個技術(shù)方案是，一種上述的焊接材料的制備方法，按照以下步驟實施步驟I、利用超高真空電弧爐熔配母合金
按原子百分比組成，其中Al為20 30%，Ni為35 40%，Cu為35 40%，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、壓實成坯待用；將制成的坯料在真空電弧爐中進行熔配，制得母合金；步驟2、應(yīng)用單輥快速凝固裝置，將輥輪線速度控制在5-8m/s，將上步得到的母合金制備成中間層合金箔材，所制備得到的常規(guī)晶態(tài)中間層合金箔材厚度為lOOlOOym，寬3 7mm,長 0. 5 I. Om0本發(fā)明的有益效果是，該焊接方法屬于常規(guī)晶態(tài)中間層合金電阻焊，方便易行，焊接過程方便易行，焊接對象適應(yīng)性廣；該焊接材料易于加工成型，便于焊接裝配，具有優(yōu)良的強度、韌性、耐腐蝕性等綜合性能，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；該焊接材料的制備方法步驟簡單，容易操作，制作成本低，便于推廣。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。 本發(fā)明應(yīng)用高熵效應(yīng)焊接鈦與鋼的方法是在兩塊鈦與鋼待焊板材之間放置折疊過的中間層合金箔材，(即一定厚度的經(jīng)過嚴格成分設(shè)定的焊接材料)，采用電阻點焊方式進行焊接操作，使得界面電阻熱熔化中間層合金及局部母材，熔化金屬相混融，其熔融金屬處在高熵合金成分范圍，凝固后形成具有單相固溶體結(jié)構(gòu)、而無金屬間化合物產(chǎn)生的高熵焊接焊縫(熔核)，實現(xiàn)鈦與鋼的高性能焊接。基于中間層合金的熔點高于母材，這種應(yīng)用高熵效應(yīng)焊接鈦與鋼的方法與傳統(tǒng)電阻釬料原理不同。本發(fā)明方法所采用的焊接材料(或中間層合金)，由以下組分按原子百分比組成總的百分比為100%，其中Al為20 30%，Ni為35 40%，Cu為35 40%。該中間層合金本身為常規(guī)晶態(tài)合金，但經(jīng)過焊接過程，形成的焊縫金屬為Ti-Fe-Al-Ni-Cu等主元高熵合金。上述中間層合金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。在本發(fā)明的中間層合金成分中，各化學元素的組成及含量限定理由是為了提高鈦金屬與鋼焊接接頭的綜合力學性能，需要獲得焊縫金屬的化學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，中間層合金主元選擇Cu-Ni-Al三元系常規(guī)晶態(tài)合金。主要原因有二點①焊接過程中母材及中間層金屬熔化形成熔核、近縫區(qū)母材向液態(tài)熔核中的溶解不可避免，為預(yù)防焊縫產(chǎn)生脆性金屬間化合物起見，熔核金屬須含有Ti、Fe、Cu、Ni等主元；②通過在中間層合金中添加Al元素，形成高熵合金焊縫，改善焊縫與鈦母材的熔合性。本發(fā)明方法所用的常規(guī)晶態(tài)中間層合金，能使焊縫金屬高熵化，其制備方法按照以下步驟實施步驟I、利用超高真空電弧爐熔配母合金按原子百分比組成，其中Al為20 30%，Ni為35 40%，Cu為35 40%，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、壓實成坯待用；將制成的坯料在超高真空電弧爐中進行熔配，制得母合金；步驟2、應(yīng)用單輥快速凝固裝置，將輥輪線速度控制在5-8m/s，將上步得到的母合金制備成中間層合金箔材，所制備得到的常規(guī)晶態(tài)中間層合金箔材厚度為lOOlOOym，寬3 7mm,長 0. 5 I. Om0
使用本發(fā)明的中間層合金箔材通過電阻點焊方式，進行鈦與鋼板材接頭的焊接，裝配時先將箔材根據(jù)需要折疊多層后，置于待焊鈦/鋼板之間，然后按照常規(guī)電阻點焊操作要求對裝配好了的接頭進行焊接。使用本發(fā)明的中間層合金箔材實施鈦/鋼板材電阻點焊，與現(xiàn)有點焊工藝操作條件相似，工藝簡單，操作方便。實施例I依照總的百分比為100%，其中Al 20%, Ni 40%, Cu 40%的數(shù)據(jù)選取各組分元素含量，并按照上述實施方式制備出厚度為150 ii m，寬5mm，長0. 5m的A120Ni40Cu40常規(guī)晶態(tài)中間層合金箔材。應(yīng)用該合金箔材折疊成數(shù)層作為中間層，對TA2與0Crl8Ni9Ti進行電阻點焊，獲得焊接接頭的拉剪強度約283MPa ;應(yīng)用該合金箔材折疊成數(shù)層作為中間層，對TA2與Q235進行電阻點焊，獲得焊接接頭的拉剪強度約294MPa。實施例2 、按照上述實施例I的步驟，依照總的百分比為100%，其中Al 25%, Ni35%, Cu 40%的數(shù)據(jù)選取各組分元素及含量，將輥面線速度控制在5m/s，制備出厚130 ii m，寬5mm，長0. 8m的A125Ni35Cu40常規(guī)晶態(tài)中間層合金箔材。應(yīng)用該中間層合金箔材折疊，對TA2與0Crl8Ni9Ti進行電阻點焊，獲得焊接接頭的拉剪強度約291MPa ;應(yīng)用該合金箔材折疊成數(shù)層作為中間層，對TA2與Q235進行電阻點焊，獲得焊接接頭的拉剪強度約296MPa。實施例3 按照上述實施例的步驟，依照總的百分比為100%，其中Al 30%, Ni 35%，Cu 35%的數(shù)據(jù)選取各組分元素及含量，將輥面線速度控制在5m/s，制備出厚110 ii m，寬5mm，長0. 8m的A130Ni35Cu35常規(guī)晶態(tài)中間層合金箔材。應(yīng)用該中間層合金箔材折疊，對TA2與0Crl8Ni9Ti進行電阻點焊，獲得焊接接頭的拉剪強度約288MPa ;應(yīng)用該合金箔材折疊成數(shù)層作為中間層，對TA2與Q235進行電阻點焊，獲得焊接接頭的拉剪強度約284MPa。 綜上所述，本發(fā)明的方法及其中間層合金，熔煉及加工性能好，在焊接時與鈦及合金鋼的匹配性好、焊縫(熔核)為單相fee固溶體組織，接頭綜合機械性能顯著提高；該種中間層合金箔材的制備方法，工藝簡單，制作成本低，便于推廣。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用高熵效應(yīng)焊接鈦與鋼的方法，其特征在于在兩塊鈦與鋼待焊板材之間放置折疊過的中間層合金箔材，采用電阻點焊方式進行焊接操作，實現(xiàn)鈦與鋼的高性能焊接; 所述的中間層合金，由以下組分按原子百分比組成總的百分比為100%，其中Al為20 30%，Ni 為 35 40%，Cu 為 35 40%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的中間層合金箔材厚度為100 200 U m,寬 3 7mm,長 0. 5 I. Om0
3.一種應(yīng)用于權(quán)利要求I所述方法的焊接材料，其特征在于由以下組分按原子百分比組成總的百分比為100%，其中Al為20 30%，Ni為35 40%，Cu為35 40%。
4.一種權(quán)利要求3所述的焊接材料的制備方法，其特征在于，按照以下步驟實施 步驟I、利用超高真空電弧爐熔配母合金 按原子百分比組成，其中Al為20 30%，Ni為35 40%，Cu為35 40%，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、壓實成坯待用；將制成的坯料在真空電弧爐中進行熔配，制得母合金； 步驟2、應(yīng)用單輥快速凝固裝置，將輥輪線速度控制在5-8m/s，將上步得到的母合金制備成中間層合金箔材，所制備得到的常規(guī)晶態(tài)中間層合金箔材厚度為lOOlOOym，寬3 7mm,長 0. 5 I. Om0
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用高熵效應(yīng)焊接鈦與鋼的方法，在兩塊鈦與鋼待焊板材之間放置折疊過的中間層合金箔材，采用電阻點焊方式進行焊接操作，使得界面電阻熱熔化中間層合金及局部母材，熔化金屬相混融，實現(xiàn)鈦與鋼的高性能焊接。本發(fā)明還公開了上述方法中的中間層合金及其制備方法，由以下組分按原子百分比組成，總的百分比為100%，其中Al為20~30%，Ni為35~40%，Cu為35~40%。本發(fā)明的方法及其中間層合金，在焊接時與鈦及合金鋼的匹配性好、焊縫(熔核)為單相fcc固溶體組織，接頭綜合機械性能顯著提高；該中間層合金箔材的制備方法，工藝簡單，制作成本低。
文檔編號B23K11/20GK102672328SQ20121014386
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者徐錦鋒, 田 健, 翟秋亞, 魏亞庫 申請人:西安理工大學