專利名稱：一種適用于520°c以上高溫鈦合金焊接用低成本鈦合金焊絲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鈦基合金的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種適用于520°C以上高溫鈦合金 焊接的鈦合金焊絲。
背景技術(shù)：
為滿足減重及提高飛行器推重比的設(shè)計(jì)要求，需要盡可能提高具有高比強(qiáng)度的鈦 合金材料的使用量。近年來國內(nèi)外飛行器上鈦合金的使用量呈大幅增加的趨勢，鈦合金使 用量以及使用水平已經(jīng)成為衡量國內(nèi)外航空航天技術(shù)及飛行器性能先進(jìn)程度的一項(xiàng)重要 指標(biāo)。采用焊接結(jié)構(gòu)也是提高推重比的一個(gè)重要手段。采用焊接結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉚接結(jié) 構(gòu)，不僅可以減少零件數(shù)量，還可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減重，提高結(jié)構(gòu)完整性并降低成本。而且對 于某些結(jié)構(gòu)件，焊接是必不可少的，如筒體結(jié)構(gòu)等，因此焊接問題也成為鈦合金尤其是新型 鈦合金走向工程化應(yīng)用必須解決的問題。高溫鈦合金是適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)減重需要產(chǎn)生的一類鈦合金，隨著設(shè)計(jì)使用溫度的 提高，這類鈦合金合金化程度也越來越高，β穩(wěn)定元素的加入量以及合金中β相的體積分 數(shù)明顯降低。使得這類材料的塑韌性明顯降低，焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致的材料局部 變形往往會超過材料實(shí)際變形能力，導(dǎo)致該類合金焊縫容易出現(xiàn)開裂，影響了材料的工程 化應(yīng)用。為解決這一問題，需要盡可能提高焊接接頭焊縫區(qū)的變形能力，即焊縫區(qū)材料塑 性。而熔焊焊縫區(qū)顯微組織為塑性很差的鑄態(tài)組織，因此如果采用與合金相同成分的焊絲， 會導(dǎo)致焊接接頭塑性明顯低于基體材料，焊縫區(qū)發(fā)生開裂的風(fēng)險(xiǎn)會更大，因此必須開發(fā)一 種與之匹配的焊絲材料，來改善焊縫區(qū)塑性。在熔焊條件下，焊縫區(qū)顯微組織類型是一定的，即鑄態(tài)組織。為提高焊縫區(qū)塑性， 只能通過采用比基體合金化程度低的焊絲從而降低焊縫熔合區(qū)合金化程度的方法來解決。Ti-55高溫鈦合金是我們國家自主研發(fā)的一類可在550°C下長時(shí)使用的高溫鈦合 金，由中科院金屬研究所和寶鈦集團(tuán)聯(lián)合研制。該合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及航天領(lǐng)域有廣闊 的應(yīng)用前景。但該合金與TC4、BT20相比，其焊縫開裂傾向較大，焊接問題成為該合金擴(kuò)大 應(yīng)用的瓶頸問題。為此需要開發(fā)一種適合于Ti-55合金的焊絲材料。開發(fā)Ti-55合金焊絲的主要難題是如何兼顧焊接接頭塑性和抗高溫變形能力之 間的矛盾問題。高溫鈦合金最顯著的特點(diǎn)是在高溫下有較高的抗變形能力，為此高溫鈦合 金必須采用提高合金化程度、減少β穩(wěn)定元素的加入量的辦法，由此帶來的問題則是材料 塑、韌性降低；而為了提高接頭鑄態(tài)組織的抗變形能力，需要降低焊縫區(qū)的合金化程度，同 時(shí)保證其抗高溫變形能力不低于基體材料，以免在服役過程中接頭處發(fā)生失效，這是開發(fā) Ti-55焊絲遇到的最大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是研究一種適合于550°C高溫鈦合金的鈦合金焊絲，采用這種鈦合 金焊絲，可以改善接頭塑性，降低其開裂傾向，同時(shí)保持不低于基體材料的高溫抗變形能 力一一用一定條件下的接頭持久性能來描述。本發(fā)明研究者經(jīng)過多年的研究積累發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Al含量低于某一臨界值時(shí)，增加少量 Si元素對材料塑性幾乎沒有影響，但卻可明顯提高材料的抗高溫變形能力；Al元素在明顯 提高材料高溫抗變形能力的同時(shí)，對材料塑、韌性的降低作用也很明顯。在上述研究基礎(chǔ) 上，我們提出通過增加Si的辦法，來減少另一種主要合金化元素Al的加入量，來達(dá)到焊縫 區(qū)抗變形能力不降低的同時(shí)改善其塑性的目的。本發(fā)明提出一種適用于520°C以上高溫鈦合金焊接用低成本鈦合金焊絲，其特征 在于所說焊絲的成分及重量百分比為Al :2. 5% 5. 0% ；Sn :2. 0% 3. 5% ；Zr :2. 0% 3. 2% ；Mo 0. 0%~ 1. 0% ；Si 0. 0%~ 0. 4%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)元素。與Ti-55合金相比，本發(fā)明的焊絲合金成分中，不含Nb和Ta，也明顯地降低了 Al、 Sn、&和Mo的含量。同時(shí)為了適應(yīng)航空和航天兩方面不同的要求，即航空材料要求必須滿 足高溫長期使用，材料要有好的持久性能；而航天材料是在高溫下短時(shí)使用的，沒有持久性 能方面的要求。所以本發(fā)明分別提出兩種不同成分的焊絲。本發(fā)明所提出一種特別適合于航天工業(yè)要求的焊絲，其主要組成包括A1 3. 0% 5. 0% ；Sn 2. 0% 3. 0% ；Zr 2. 0% 3. 0% ；Si 0. 0% 0. 2%，余量為 Ti 和不 可避免的雜質(zhì)元素。本發(fā)明所提出一種特別適合于航空工業(yè)要求的焊絲，其主要組成包括A1 3. 0 % 5. 0 % ;Sn :2. 0 % 3. 5 % ;Zr :2. 0 % 3. 0 % ;Mo :0. 25 % 0. 4 % ;Si :0. 2 % 0. 4%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)元素。本發(fā)明還提出了一種特別適合于4mm以下薄板的的焊絲，其主要組成包括Al 3. 0 % 3. 4 % ；Sn :2· 0 % 3. 0 % ；Zr :2· 0 % 3. 0 % ；Mo :0· 6 % 0. 8 % ；Si :0· 2 % 0. 3%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)元素。上述高溫鈦合金焊絲的真空退火處理工藝為630 750°C /2h 5h/隨爐冷卻。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)是充分利用了合金化Si元素的特點(diǎn)，采用了 “加Si降A(chǔ)l ”的合金 化方案，并利用鈦合金熔焊顯微組織的特點(diǎn)，兼顧了焊縫區(qū)塑性和高溫抗熱變形能力(持 久性能)，是現(xiàn)有鈦合金焊絲中第一個(gè)高硅含量鈦合金焊絲，有望在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭蒙皮 等高溫部位得到應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明將通過以下幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例來作進(jìn)一步詳述，但本發(fā)明并不局限于下述幾 個(gè)實(shí)施例。表 權(quán)利要求
一種適用于520℃以上高溫鈦合金焊接用低成本鈦合金焊絲，其特征在于所說焊絲的成分及重量百分比為Al2.5％～5.0％；Sn2.0％～3.5％；Zr2.0％～3.2％；Mo0.0％～1.0％；Si0.0％～0.35％，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)元素。
2.按權(quán)利要求1所述的適用于520°C以上高溫鈦合金焊接用低成本鈦合金焊絲，其特 征在于適合航天工業(yè)要求時(shí)ui，主要成分為A1 :3. 0% 5.0% ；Sn :2. 0% 3.0% ；Zr 2. 0% 3. 0% ；Si 0. 20Z0 0. 3%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)元素。3.按權(quán)利要求1所述的適用于520°C以上高溫鈦合金焊接用低成本鈦合金焊絲，其 特征在于適合航空工業(yè)要求時(shí)，主要成分為A1 :3. 0% 3.4% ；Sn:2. 0% 3.5% ；Zr
3.0% 3. 0%;Mo 0. 25% 0. 4%;Si 0. 2% 0. 4%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)元素。4權(quán)利要求1所述的適用于520°C以上高溫鈦合金焊接用低成本鈦合金焊絲，其特征在 于適合于4匪以下薄板時(shí)，主要成分為A1 3. 0% 3. 4%;Sn 2. 0% 3. 0%;Zr 2. 0%
4.0% ；Mo 0. 6% 0. 8% ；Si 0. 2% 0. 3%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)元素。
5.一種適合于權(quán)利要求1所述的適用于520°C以上高溫鈦合金焊接用低成本鈦合金焊 絲的真空退火處理工藝其特征在于在630 750°C下保溫2 5小時(shí)后，隨爐冷卻。
6.一種適合于權(quán)利要求2所述的適用于520°C以上高溫鈦合金焊接用低成本鈦合金焊 絲的真空退火處理工藝其特征在于在630 750°C下保溫2 5小時(shí)后，隨爐冷卻。
7.一種適合于權(quán)利要求3所述的適用于520°C以上高溫鈦合金焊接用低成本鈦合金焊 絲的真空退火處理工藝其特征在于在630 750°C下保溫2 5小時(shí)后，隨爐冷卻。
8.一種適合于權(quán)利要求4所述的適用于520°C以上高溫鈦合金焊接用低成本鈦合金焊 絲的真空退火處理工藝其特征在于在630 750°C下保溫2 5小時(shí)后，隨爐冷卻。
全文摘要
本發(fā)明提出一種適用于520℃以上高溫鈦合金焊接用低成本鈦合金焊絲，該焊絲包含Al、Sn、Zr、Mo、Si五種合金元素，其特點(diǎn)是增加Si的含量，以取代Al、Sn、Zr的部分高溫強(qiáng)化作用，從而降低這些合金元素的加入量，使焊縫區(qū)金屬具有較高的變形能力，可降低高溫鈦合金焊縫開裂傾向，同時(shí)焊縫區(qū)金屬還保持了基體材料的強(qiáng)度、高溫持久抗力和室溫變形能力。本發(fā)明在給出焊絲的成分范圍之后，還針對航天工業(yè)、航空工業(yè)和薄板焊接的不同要求提出三種不同的最佳焊絲成分和熱處理工藝。本發(fā)明的焊絲可采用常規(guī)工藝生產(chǎn)，成材率高，因此成本較低。隨著高溫鈦合金在航空航天領(lǐng)域的普及應(yīng)用，該焊絲的應(yīng)用前景廣闊，有望取得可觀的社會和經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號B23K35/40GK101966631SQ200910012758
公開日2011年2月9日 申請日期2009年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月28日
發(fā)明者劉建榮, 劉羽寅, 朱紹祥, 李晉煒, 王清江, 鎖紅波, 陳哲源, 陳志勇 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所;中國航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所