钛-钢梯度复合材料cmt制备用过渡层焊丝及制备方法
阅读说明：本技术 钛-钢梯度复合材料cmt制备用过渡层焊丝及制备方法 (Transition layer welding wire for preparing titanium-steel gradient composite material CMT and preparation method ) 是由 褚巧玲 夏拓 张�林 张敏 赵鹏康 李继红 王锵 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开的钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝,包括药芯和焊皮,其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Cr粉10～20％,Ni粉10～20％,Nb粉10～20％,Co粉5～10％,剩余为Cu粉,以上组分质量百分比之和为100％。该药芯焊丝既可用于TIG焊,又可用于MIG焊,解决了钛-钢梯度复合材料的电弧增材直接制备问题。还提供了一种钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝的制备方法。(The invention discloses a transition layer welding wire for preparing a titanium-steel gradient composite material CMT, which comprises a flux core and a welding skin, wherein the flux core consists of the following components in percentage by mass: 10-20% of Cr powder, 10-20% of Ni powder, 10-20% of Nb powder, 5-10% of Co powder and the balance of Cu powder, wherein the sum of the mass percentages of the components is 100%. The flux-cored wire can be used for TIG welding and MIG welding, and solves the problem of direct preparation of the titanium-steel gradient composite material by electric arc additive. Also provides a preparation method of the transition layer welding wire for preparing the titanium-steel gradient composite material CMT.)
技术领域
本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝，还涉及一种钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝的制备方法。
背景技术
钛与钢异种金属连接结构，由于具有耐蚀性好、强度高等特点，在航空航天、能源动力、石油化工等工业部门有着巨大的应用潜力。但是，钛和钢之间的热物理性能差异较大，并极易形成脆性的金属间化合物，从而降低接头的连接性能。目前，人们针对钛-钢异种金属连接的研究工作已经开展了50余年，从金属连接理论发展到激光焊、电子束焊、搅拌摩擦焊、钎焊、扩散焊、爆炸焊、钨极氩弧焊、冷金属过渡焊接等众多先进焊接方法。然而在实际应用中，往往由于受到相应焊接方法的限制，目前还难以实现具有复杂结构的钛-钢实际应用部件的连接。因此，如何克服钛-钢连接接头在应用结构上的局限性，是钛-钢连接向工程中推广应用亟待解决的问题。
电弧增材制造技术，尤其是其中的冷金属过渡技术(Cold Metal Transfer,CMT)可以实现复杂尺寸结构件的制备，并且操作简便、适应性强，成为探索钛-钢复合结构制备最理想的选择。然而，由于钛和钢之间热物理性能差异大且极易生成脆性金属间化合物，开发一种过渡层焊接材料进行钛-钢复合结构的电弧增材制造至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝，该药芯焊丝既可用于TIG焊，又可用于MIG焊，解决了钛-钢梯度复合材料的电弧增材直接制备问题。
本发明的另一个目的是提供一种钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Cr粉10～20％，Ni粉10～20％，Nb粉10～20％，Co粉5～10％，剩余为Cu粉，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
Cr粉的纯度≥99.9％，Ni粉的纯度≥99.9％，Nb粉的纯度≥99.9％，Co粉的纯度≥99.9％，Cu粉的纯度≥99.9％，5种金属粉的粒度都是100～200目。
焊皮为紫铜带，紫铜带厚度0.3mm，宽度7mm。
焊丝中药芯粉末的填充率为25wt.％～30wt.％。
本发明所采用的另一个技术方案是，钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Cr粉10～20％，Ni粉10～20％，Nb粉10～20％，Co粉5～10％，剩余为Cu粉，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的Cr粉、Ni粉，Nb粉，Co粉和Cu粉置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃-200℃，保温时间为1h-2h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min-40min；
步骤3：使用紫铜带作为焊皮，采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
本发明的特征还在于，
Cr粉的纯度≥99.9％，Ni粉的纯度≥99.9％，Nb粉的纯度≥99.9％，Co粉的纯度≥99.9％，Cu粉的纯度≥99.9％，5种金属粉的粒度都是100～200目。
步骤3中，紫铜带厚度0.3mm，宽度7mm。
焊丝中药芯粉末的填充率为25wt.％～30wt.％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明药芯焊丝直径比较小，丝径为1.2mm的药芯焊丝适用广泛，该药芯焊丝既可用于TIG焊，又可用于MIG焊；
(2)Cu、Cr、Ni，Nb和Co元素作为药芯焊丝中的主要组元，在进行CMT直接制备钛-钢梯度复合结构时，以上合金元素与基体Ti、Fe元素反应，形成多种化合物相，共同构成了钛-钢复合梯度层。过渡层焊丝以Cu元素为主，所形成的梯度层中主要以Cu-Ti金属间化合物和Cu基固溶体为主。其中靠近钢一侧为Cu基固溶体和Fe基固溶体；靠近钛一侧主要为CuTi2，Cu4Ti，Cu3Ti2金属间化合物。Cr、Ni元素在梯度层中起到调整Cu-Ti金属间化合物的形貌和分布的作用；Nb和Co元素主要起到提高梯度层与Ti之间的结合强度的作用。
(3)本发明药芯焊丝合金元素较少，制备工艺简单，便于进行大规模批量生产。
附图说明
图1为实施例1中钛-钢梯度复合结构示意图；
图2为实施案例2制备的药芯焊丝，在钢基体上堆焊的扫描电镜微观组织形貌图；
图3为实施案例2制备的药芯焊丝，在钛基体上堆焊的扫描电镜微观组织形貌图；
图4为实施案例2制备的药芯焊丝，制备钛-钢梯度复合材料时梯层的扫描电镜高倍微观组织形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Cr粉10～20％，Ni粉10～20％，Nb粉10～20％，Co粉5～10％，剩余为Cu粉，以上组分质量百分比之和为100％。
Cr粉的纯度≥99.9％，Ni粉的纯度≥99.9％，Nb粉的纯度≥99.9％，Co粉的纯度≥99.9％，Cu粉的纯度≥99.9％，5种金属粉的粒度都是100～200目。
焊皮为紫铜带，紫铜带厚度0.3mm，宽度7mm。
焊丝中药芯粉末的填充率为25wt.％～30wt.％。
该药芯焊丝中各组分的作用、功能作用如下：
Cu元素作为药芯焊丝的主要合金元素，Cu元素和Ti元素反应生成多种Cu-Ti化合物，Cu与Fe之间不形成脆性相，所以Cu是制备钛-钢梯度复合结构最理想的元素。此外，Cu合金的熔点较低，在进行增材制造过程中，可以选择较低的热输入进行；
Cr、Ni元素作为药芯焊丝中药粉的主要组元，Cr与Ti之间可以形成Cr-Ti金属间化合物，Cr与Fe之间焊接性较好；Ni与Ti之间可以形成Ni-Ti多种金属间化合物，Ni与Fe之间的焊接性较好；Ni和Cr之间也具有优异的焊接性。因此，这2个元素的添加，可以综合调控梯度层中Cu-Ti金属间化合物的分布、含量，避免出现粗大的组织。
Nb元素作为药芯焊丝中药粉的另一个主要组元，Nb与Ti之间的焊接性较好，可以生成无限固溶体，塑韧性好。因此，Nb元素的加入，可以强化梯度层与钛侧的连接。
Co元素的加入，一方面通过弥散强化和固溶强化来提高焊缝的强度，另一方面也可以提高焊缝的高温性能；
本发明还提供上述钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Cr粉10～20％，Ni粉10～20％，Nb粉10～20％，Co粉5～10％，剩余为Cu粉，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤1中，Cr粉的纯度≥99.9％，Ni粉的纯度≥99.9％，Nb粉的纯度≥99.9％，Co粉的纯度≥99.9％，Cu粉的纯度≥99.9％，5种金属粉的粒度都是100～200目。
步骤2：将步骤1称取的Cr粉、Ni粉，Nb粉，Co粉和Cu粉置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃-200℃，保温时间为1h-2h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min-40min；
步骤3：使用紫铜带作为焊皮，采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤3中，紫铜带厚度0.3mm，宽度7mm。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；焊丝中药芯粉末的填充率为25wt.％～30wt.％。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取Cr粉20％，Ni粉20％，Nb粉20％，Co粉10％，剩余为Cu粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，Cr粉的纯度≥99.9％，Ni粉的纯度≥99.9％，Nb粉的纯度≥99.9％，Co粉的纯度≥99.9％，Cu粉的纯度≥99.9％，5种金属粉的粒度都是100目。
步骤2：将步骤1称取的Cr粉、Ni粉，Nb粉，Co粉和Cu粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃，保温时间为1h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min；
步骤3：使用紫铜带作为焊皮，采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤3中，紫铜带厚度0.3mm，宽度7mm。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；焊丝中药芯粉末的填充率为25wt.％。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例1制备的钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝，借助CMT设备制备梯度层，图1是钛-钢梯度复合结构示意图，如图1所示，首先在钢基体上进行堆焊，焊接电流为：150-180A；当梯度层达到5mm后，用ERTi-1焊丝在梯度层上堆焊，得到钛层，焊接电流为：100-120A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度521MPa，断后延伸率12％。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取Cr粉10％，Ni粉10％，Nb粉10％，Co粉5％，剩余为Cu粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，Cr粉的纯度≥99.9％，Ni粉的纯度≥99.9％，Nb粉的纯度≥99.9％，Co粉的纯度≥99.9％，Cu粉的纯度≥99.9％，5种金属粉的粒度都是200目。
步骤2：将步骤1称取的Cr粉、Ni粉，Nb粉，Co粉和Cu粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃，保温时间为1h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min；
步骤3：使用紫铜带作为焊皮，采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤3中，紫铜带厚度0.3mm，宽度7mm。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；焊丝中药芯粉末的填充率为35wt.％。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例2制备的钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝，首先在钢基体上进行堆焊，借助CMT设备制备梯度层，焊接电流为：150-180A；当梯度层达到5mm后，用ERTi-1焊丝在梯度层上堆焊，焊接电流为：100-120A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度551MPa，断后延伸率15％。
实施例2制备得到的药芯焊丝在钢基体上的堆焊组织形貌如图2所示，组织主要为Cu基固溶体和Fe基固溶体为主；实施例2制备得到的药芯焊丝在钛基体上的堆焊组织形貌如图3所示，组织主要为Cu-Ti金属间化合物；采用实施例2制备的药芯焊丝进行钛-钢梯度结构制备，起梯度层的组织如图4所示，主要为柱状Cu-Ti化合物、Cu基固溶体和Fe基固溶体。以上组织观察中均未发现裂纹、气孔等常见缺陷。
采用CMT冷金属过渡焊接技术作为热源，是一种全新的MIG/MAG焊接工艺。这种技术将送丝与焊接过程控制联系起来。焊接过程中，当电路中监测到熔滴过度的短路信号，会立即将该短路信号反馈给送丝机，送丝机迅速回应，回抽焊丝，以机械力的方式帮助熔滴与焊丝端部分离，辅助熔滴过渡，使用这种方法，能够使热输入量迅速地减少，进而使得制造的零件精度及性能显著提高。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取Cr粉15％，Ni粉15％，Nb粉15％，Co粉7％，剩余为Cu粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，Cr粉的纯度≥99.9％，Ni粉的纯度≥99.9％，Nb粉的纯度≥99.9％，Co粉的纯度≥99.9％，Cu粉的纯度≥99.9％，5种金属粉的粒度都是100目。
步骤2：将步骤1称取的Cr粉、Ni粉，Nb粉，Co粉和Cu粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃，保温时间为1h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min；
步骤3：使用紫铜带作为焊皮，采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤3中，紫铜带厚度0.3mm，宽度7mm。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；焊丝中药芯粉末的填充率为30wt.％。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例3制备的钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝，首先在钢基体上进行堆焊，借助CMT设备制备梯度层，焊接电流为：150-180A；当梯度层达到5mm后，用ERTi-1焊丝在梯度层上堆焊，焊接电流为：100-120A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度505MPa，断后延伸率8％。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取Cr粉10％，Ni粉17％，Nb粉13％，Co粉10％，剩余为Cu粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，Cr粉的纯度≥99.9％，Ni粉的纯度≥99.9％，Nb粉的纯度≥99.9％，Co粉的纯度≥99.9％，Cu粉的纯度≥99.9％，5种金属粉的粒度都是100目。
步骤2：将步骤1称取的Cr粉、Ni粉，Nb粉，Co粉和Cu粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为200℃，保温时间为2h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min；
步骤3：使用紫铜带作为焊皮，采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤3中，紫铜带厚度0.3mm，宽度7mm。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；焊丝中药芯粉末的填充率为30wt.％。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例4制备的钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝，首先在钢基体上进行堆焊，借助CMT设备制备梯度层，焊接电流为：150-180A；当梯度层达到5mm后，用ERTi-1焊丝在梯度层上堆焊，焊接电流为：100-120A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度528MPa，断后延伸率11％。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取Cr粉12％，Ni粉20％，Nb粉10％，Co粉8％，剩余为Cu粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的Cr粉、Ni粉，Nb粉，Co粉和Cu粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃，保温时间为2h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min；
步骤3：采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例5制备的钛-钢梯度复合材料CMT制备用过渡层焊丝，首先在钢基体上进行堆焊，借助CMT设备制备梯度层，焊接电流为：150-180A；当梯度层达到5mm后，用ERTi-1焊丝在梯度层上堆焊，焊接电流为：100-120A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度533MPa，断后延伸率11％。