一种高熵合金及其在钛/钢复合板焊接中的应用制造技术

本发明专利技术属于复合材料焊接工程领域，具体地，涉及一种高熵合金及其在钛/钢复合板焊接中的应用。高熵合金，按原子百分比组成如下：Ti为4％～6％，Fe为9％～12％，Nb为18％～23％，Ni为28％～32％，V为13％～15％，Cu为18％～24％，总的百分比为100％。本发明专利技术中高熵合金体系的混合焓接近于零，可以避免出现相分离和成分偏析，降低各元素之间的结合力，各组元可无序的分布在晶体的晶格中，从而获得更稳定的无序固溶体；各组元之间的原子半径方差较小，不易发生晶格畸变，同时具有优良的强度、韧性及耐蚀性能，可获得高性能焊接接头。相比于采用单元素金属填充层，采用高熵合金作为填充层可抑制脆性金属间化合物的产生，降低了焊接接头开裂的倾向，使焊接接头具有更优的强度、韧性以及耐蚀性能。以及耐蚀性能。以及耐蚀性能。

【技术实现步骤摘要】
一种高熵合金及其在钛/钢复合板焊接中的应用


[0001]本专利技术属于复合材料焊接工程领域，具体地，涉及一种高熵合金及其在钛/钢复合板焊接中的应用。

技术介绍

[0002]钛/钢复合板既有钛合金的优异耐蚀性和比强度，又有碳钢的高强度和高弹性模量以及低成本等优点，近年来在海洋工程、航空航天、石油管道、化学工业等领域得到了广泛的应用。由于Ti和Fe的物理性能和化学性能存在较大差异，钛/钢复合板的焊接存在很大困难。对钛/钢复合板直接熔焊时，焊缝中极易形成大量脆硬的Ti
‑
Fe金属间化合物和低熔点共晶体，Ti元素与碳钢中的C元素易形成脆性的TiC。此外，钛在高温下极易形成氧化膜，导致焊接性变差，严重影响钛/钢复合板焊接接头的性能，从而会导致整体结构难以满足使用要求。
[0003]由于钛/钢复合板具有层状结构，电弧焊会造成热应力分配不均、应力失配。实际焊接中，高熵合金及覆层采用激光焊，能量集中，热输入小，使焊缝具有合适的深宽比，较小的热影响区和焊接热变形，减少了焊接过程中的元素扩散，从而防止马氏体和金属间化合物的形成。基层采用复合焊接方法，可以降低成本，使熔池有足够的时间完全混合，形成均匀相，获得强度较高的接头。
[0004]一般来说，Ti
‑
Fe金属间化合物的连续分布是导致接头脆化的根本原因，添加中间层可以避免钛/钢复合界面的Ti元素和Fe元素直接接触混合，在界面处形成固溶体，可有效抑制金属间化合物产生，并发生固溶强化，增大焊接接头的强度。高熵合金作为一种新型多主元合金材料，具有高熵效应、晶格畸变效应、缓慢扩散效应、“鸡尾酒”效应的特性，在焊接过程中易形成FCC、BCC、HCP等简单固溶体结构，基于高熵合金的优良综合性能，可以获得性能优异的钛/钢复合板焊接接头。

技术实现思路

[0005]为解决钛/钢复合板对接焊接时接头易形成脆硬金属间化合物，导致焊缝开裂的问题，本专利技术的提供一种高熵合金，应用于钛/钢复合板对接焊接。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0007]一种高熵合金，按原子百分比组成如下：Ti为4％～6％，Fe为9％～12％，Nb为18％～23％，Ni为28％～32％，V为13％～15％，Cu为18％～24％，总的百分比为100％。
[0008]上述高熵合金的制备方法，将各组分原子百分比换算为重量百分比，按照重量百分比称量好各组分金属粉末，将称量好的金属粉末分别烘干后混合均匀，压实成坯备用；将炉膛抽真空并充入氩气，以确保去除炉膛内的杂质气体；将备用的坯放置在坩埚内，通电流引弧，对其进行反复熔炼，得到成分均匀的高熵母合金；将熔炼获得的高熵母合金重新熔炼，在真空氛围下将合金熔化，将熔化后合金吸铸进模具制成高熵合金板材；将高熵合金板材放置入酒精中，并进行超声波清洗，以去除高熵合金表面的杂质，清洗烘干后备用。
[0009]高熵合金填充条的制备方法，将上述熔炼所得的高熵合金板材烘干，将烘干后的高熵合金切成便于钛/钢复合板焊接的合金条；使用砂纸对高熵合金条精磨，置于酒精中进行超声清洗，以去除表面杂质，清洗结束后烘干备用。
[0010]上述高熵合金，应用于钛/钢复合板焊接。
[0011]钛/钢复合板焊接方法，采用热输入小的焊接方法对钛/钢复合板进行对接焊接，包括以下步骤：
[0012]S1、加工焊接坡口
[0013]S2、焊接基层
[0014]S3、焊接过渡填充层
[0015]S4、焊接覆层。
[0016]相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
[0017]1、高熵合金具有更高的混合熵，各个组元之间具有更高的相容性，可以在一定程度上抑制因相分离生成的端际固溶体或金属间化合物。本专利技术中高熵合金体系的混合焓接近于零，可以避免出现相分离和成分偏析，降低各元素之间的结合力，各组元可无序的分布在晶体的晶格中，从而获得更稳定的无序固溶体。各组元之间的原子半径方差较小，不易发生晶格畸变，同时具有优良的强度、韧性及耐蚀性能，可获得高性能焊接接头。相比于采用单元素金属填充层，采用高熵合金作为填充层可抑制脆性金属间化合物的产生，降低了焊接接头开裂的倾向，使焊接接头具有更优的强度、韧性以及耐蚀性能。
[0018]2、钛/钢复合板采用双侧开不对称坡口的形式，仅在复合板的钛/钢界面处使用高熵合金，极大降低了高熵合金用量，提高了焊接的经济性。
[0019]3、焊接工艺选用热输入小的焊接方法，减少了热应力分配不均带来的影响。采用基层
‑
高熵合金填充层
‑
覆层焊接顺序，有效避免高熵合金在其它位置的稀释，不同层采用对应焊丝，降低焊材成本。
附图说明
[0020]图1为钛/钢复合板钛侧和钢侧所开非对称坡口示意图；
[0021]图2为钛/钢复合板焊接位置及焊接顺序示意图；
[0022]图3为微拉伸标准试样示意图；
[0023]图4为微拉伸标准试样选样位置示意图；
[0024]图5为熔炼获得Ti4Fe9Nb
22
Ni
32
V
15
Cu
18
高熵合金微拉伸应力
‑
应变曲线；
[0025]图6为熔炼获得Ti5Fe
10
Nb
20
Ni
30
V
15
Cu
20
高熵合金微拉伸应力
‑
应变曲线；
[0026]图7为熔炼获得Ti6Fe
12
Nb
18
Ni
28
V
12
Cu
24
高熵合金微拉伸应力
‑
应变曲线；
[0027]图8为焊接实施例1获得焊接接头微拉伸应力
‑
应变曲线；
[0028]图9为焊接实施例2获得焊接接头微拉伸应力
‑
应变曲线；
[0029]图10为焊接实施例3获得焊接接头微拉伸应力
‑
应变曲线。
具体实施方式
[0030]高熵合金，按原子百分比组成如下：Ti为4％～6％，Fe为9％～12％，Nb为18％～23％，Ni为28％～32％，V为13％～15％，Cu为18％～24％，总的百分比为100％。上述合金成
分中，各元素的组成及含量限定理由为：高熵合金具体成分确定主要依据Hume
‑
Rothery提出的固溶度理论，考虑多主元合金形成固溶体时原子半径差、系统混合焓、系统混合熵、特征参数和系统吉布斯自由能等因素。为了提高钛/钢复合板焊接接头的综合力学性能，需要获得焊缝金属的化学成分处在形成高熵合金的主元含量范围。针对具体待焊母材金属钛/钢复合板的特点，合金主元选择Ti
‑
Fe
‑
Nb
‑
Ni
‑
V
‑
C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高熵合金，其特征在于，按原子百分比组成如下：Ti为4％～6％，Fe为9％～12％，Nb为18％～23％，Ni为28％～32％，V为13％～15％，Cu为18％～24％，总的百分比为100％。2.根据权利要求1所述的高熵合金，其特征在于，高熵合金的原子百分比组成如下：Ti为4％，Fe为9％，Nb为22％，Ni为32％，V为15％，Cu为18％，总的原子百分比为100％；或，Ti为5％，Fe为10％，Nb为30％，Ni为30％，V为15％，Cu为20％，总的原子百分比为100％；或，Ti为6％，Fe为12％，Nb为18％，Ni为28％，V为12％，Cu为24％，总的原子百分比为100％。3.权利要求1所述高熵合金的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：将各组分原子百分比换算为重量百分比，按照重量百分比称量好各组分金属粉末，将称量好的金属粉末分别烘干后混合均匀，压实成坯备用；将炉膛抽真空并充入氩气，以确保去除炉膛内的杂质气体；将备用的坯放置在坩埚内，通电流引弧，对其进行反复熔炼，得到成分均匀的高熵母合金；将熔炼获得的高熵母合金重新熔炼，在真空氛围下将合金熔化，将熔化后合金吸铸进模具制成高熵合金板材；将高熵合金板材放置入酒精中，并进行超声波清洗，以去除高熵合金表面的杂质，清洗烘干后备用。4.一种高熵合金填充条的制备方法，按照以下步骤实施：将权利要求3所述熔炼所得的高熵合金板材烘干，将烘干后的高熵合金切成便于钛/钢复合板焊接的合金条；使用砂纸对高熵合金条精磨，置于酒精中进行超声清洗，以去除表面杂质，清洗结束后烘干备用。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：王炳英，石羽泽，孙小勇，黄鹏，欧阳溧，王鼎，刘俊杰，邹钰琨，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：