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CN110181193A - 一种新型Al-Mg-Ti合金焊丝及其制备方法 - Google Patents

一种新型Al-Mg-Ti合金焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型Al‑Mg‑Ti合金焊丝及其制备方法，合金焊丝的化学成分按重量百分比为：Mg:4.0～6.0％；Ti:1.0～4.5％；B:0.2％～1.0％；Mn:0.1～1.0％；Cr:0.05～0.25％，其余为Al和不可避免的杂质元素。制备过程包括熔炼，连续半固态流变挤压，热轧和拉拔，中间退火，表面处理等步骤，最终制得线径的具有低裂纹敏感性且较高强度的Al‑Mg‑Ti合金焊丝。通过本发明可制备出含有纳米及亚微米级梯度尺度TiB2颗粒的铝镁合金焊丝，能够显著提高焊后焊缝强度，同时能够显著细化焊缝组织，降低焊接裂纹敏感性，可用于高强及超高强铝合金结构件的焊接。

Description

一种新型Al-Mg-Ti合金焊丝及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金焊丝制备领域，具体涉及一种新型Al-Mg-Ti合金焊丝及其制备方法。
背景技术
铝合金具有良好的导电导热性，较高的强度质量比、抗腐蚀性能和耐损伤性等优势，被广泛用于航空航天、轨道交通、汽车、船舶、压力容器、电子电器、家具等诸多领域，是目前工业应用最为广泛的金属材料之一。惰性气体保护熔化焊接(MIG焊和TIG焊)是实现铝合金结构材料连接一种基本方式，也是当今工业铝合金材料所使用的最为常见的一种连接方式。
超高强铝合金为含铜7000系铝合金(即Al-Zn-Mg-Cu合金)，是航空航天领域(比如大飞机)的主要结构材料之一。自第一代超高强7000系铝合金(i.e.7075合金)发展至今，先后开发了7475、7050、7150、7055、7085等系列超高强铝合金，主要通过时效析出纳米第二相实现强化。7000系铝合金经固溶时效热处理后强度基本都在500MPa以上，强度最高的为7055，极限强度可达到近800MPa。
然而，由于超高强铝合金所含合金元素较高，具有较大的热裂倾向，在生产制造时难度较大，特别是在熔炼铸造过程中经常性的会出现裂纹。正因为超高强铝合金存在较大的热裂纹倾向，一度被认为是熔化焊不可焊的合金。然而，随着诸多领域轻量化进程的推进，超高强铝合金因具有较高的强度质量比等优势，其应用领域由航空航天逐渐拓展至民用、武器军工等其他领域，比如民用的高端自行车骨架采用7075合金，军工武器领域的鱼雷外壳采用了7055合金。由此而来，超高强铝合金的焊接问题是其拓展进一步应用的关键。
近期，美国加州大学在世界顶级期刊Nature杂志子刊上报道了一种在铝合金焊丝里注入超细纳米TiC颗粒实现超高强7075铝合金焊接的新方法，该方法既解决了7075合金熔化焊接过程中容易出现开裂的问题，同时还实现了较高的焊缝强度，为超高强铝合金的焊接提供了一条全新的思路。然而，超细纳米(10nm以下)TiC颗粒的制备以及如何将纳米颗粒加入铝合金焊丝中是该方法涉及的关键核心技术，还处于保密阶段。
针对高强及超高强铝合金焊接易产生裂纹及焊缝强度问题，本发明另辟蹊径，发明了一种具有多途径复合增强效果且具有显著晶粒细化效果的新型铝合金焊丝及其制备方法，该铝合金焊丝含有纳米及亚微米及梯度尺度TiB2颗粒，经焊接后具有焊缝强度高，焊接热裂纹敏感性低等优异综合性能。该发明在高强铝合金构件焊接生产中具有十分重要的创新价值和工程应用意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有复合增强效果且较低裂纹敏感性的新型铝镁合金焊丝及其制备方法。
为达到上述目标，本发明采用下述技术方案：
以Al-Ti-B替代纯铝为主要原材料，添加纯镁、Al-Mn及Al-Cr中间合金，制备具有纳米级、亚微米级等梯度尺度的TiB2颗粒的Al-Mg-Ti铝合金焊丝材料，一方面，该合金焊丝焊接后的焊缝可以实现固溶强化、弥散强化、细晶强化等多途径复合强化效果；另一方面，该合金焊丝熔化后具有显著的晶粒细化效果，能够降低焊接热裂纹敏感性，进而实现低裂纹敏感性高强焊缝。发明的铝合金焊丝各主元素的化学成分按重量百分比为：Mg:4.0％～6.0％；Ti:1.0％～4.5％；B:0.2％～0.9％；Mn:0.1％～1.0％；Cr:0.05％～0.25％，其余为Al和不可避免的杂质元素。
采用合金熔炼及连续半固态流变挤压技术制备合金线坯，再经后续热轧或拉拔加工，中间退火及表面处理制得铝合金焊丝，具体工艺步骤如下：
(1)以纯镁、Al-Mn及Al-Cr中间合金为添加材料，以Al-Ti-B为主要原材料进行配料。首先将Al-Mn、Al-Cr和Al-Ti-B等中间合金在温度控制在720℃～780℃的熔炼炉中熔化，加入纯镁，充分搅拌均匀，然后进行精炼除气除渣等熔体净化工序；
(2)将步骤(1)得到的合金熔体在700℃～730℃时导入到中间包保温，并在680℃～710℃时注入到连续半固态流变挤压机，制备出直径为8mm～10mm的铝合金线坯，连续流变挤压机挤压辊转速为5m/min～30m/min，挤压辊中冷却水流量为40L/min～60L/min；
(3)将步骤(2)得到的铝合金线坯经热轧和拉拔、中间退火及表面处理，最后加工为的盘卷焊丝和/或的直条焊丝；
采用了上述技术方案，本发明提供的一种新型Al-Mg-Ti合金焊丝及其制备方法可以获得含有纳米级和亚微米级梯度尺度TiB2颗粒的铝合金焊丝；同时具有这样的有益效果：一方面，该合金焊丝焊接后的焊缝可以实现固溶强化、弥散强化、细晶强化等多途径复合强化效果；另一方面，该合金焊丝熔化后具有显著的晶粒细化效果，能够降低焊接热裂纹敏感性，进而实现低裂纹敏感性高强焊缝，可用于焊接高强及超高强铝合金，特别是在焊接裂纹敏感性较大(如7000系铝合金)且对焊接强度有较高要求的铝合金结构件具有较大的优势。
附图说明
图1为本发明所制备的新型铝镁钛合金焊丝的XRD图谱。
具体实施方式
实施例1
Al-Mg-Ti合金焊丝的化学成分以质量百分比计为：Mg：6％，Ti：1.0％,B：0.2％，Mn：1.0％，Cr：0.25％，Al为余量。该Al-Mg-Ti合金焊丝的制备工艺步骤如下：
(1)以纯镁、Al-10Mn及Al-10Cr中间合金为添加材料，以Al-5Ti-1B为主要原材料进行配料。首先将Al-Mn、Al-Cr和Al-5Ti-1B等中间合金在760℃的熔炼炉中熔化，加入纯镁，充分搅拌均匀，然后进行精炼除气除渣等熔体净化工序；
(2)将步骤(1)得到的合金熔体在730℃时导入到中间包保温，并在700℃时注入到连续半固态流变挤压机，制备出直径为8.5mm的铝合金线坯，连续流变挤压机挤压辊转速为15m/min，挤压辊中冷却水流量为60L/min；
(3)将步骤(2)得到的铝合金线坯经热轧和拉拔、中间退火及表面处理，最后加工为的盘卷焊丝和的直条焊丝。
最终制备出Al-Mg-Ti合金焊丝，含有少量纳米级(30nm～100nm)及亚微米级(0.1μm～2μm)梯度尺度TiB2颗粒。
实施例2
Al-Mg-Ti合金焊丝的化学成分以质量百分比计为：Mg：4％，Ti：4.5％,B：0.9％，Mn：0.1％，Cr：0.05％，Al为余量。该Al-Mg-Ti合金焊丝的制备工艺步骤如下：
(1)以纯镁、Al-10Mn及Al-10Cr中间合金为添加材料，以Al-5Ti-1B为主要原材料进行配料。首先将Al-Mn、Al-Cr和Al-5Ti-1B等中间合金在780℃的熔炼炉中熔化，加入纯镁，充分搅拌均匀，然后进行精炼除气除渣等熔体净化工序；
(2)将步骤(1)得到的合金熔体在720℃时导入到中间包保温，并在710℃时注入到连续半固态流变挤压机，制备出直径为10mm的铝合金线坯，连续流变挤压机挤压辊转速为5m/min，挤压辊中冷却水流量为40L/min；
(3)将步骤(2)得到的铝合金线坯经热轧和拉拔、中间退火及表面处理，最后加工为的盘卷焊丝和的直条焊丝。
最终制备出Al-Mg-Ti合金焊丝，含有纳米级(30nm～100nm)及亚微米级(0.1μm～2μm)梯度尺度TiB2颗粒。
实施例3
Al-Mg-Ti合金焊丝的化学成分以质量百分比计为：Mg：4.5％，Ti：2.7％,B：0.9％，Mn：0.2％，Cr：0.1％，Al为余量。该Al-Mg-Ti合金焊丝的制备工艺步骤如下：
(1)以纯镁、Al-10Mn及Al-10Cr中间合金为添加材料，以Al-3Ti-1B为主要原材料进行配料。首先将Al-Mn、Al-Cr和Al-3Ti-1B等中间合金在750℃的熔炼炉中熔化，加入纯镁，充分搅拌均匀，然后进行精炼除气除渣等熔体净化工序；
(2)将步骤(1)得到的合金熔体在700℃时导入到中间包保温，并在680℃时注入到连续半固态流变挤压机，制备出直径为8.0mm的铝合金线坯，连续流变挤压机挤压辊转速为25m/min，挤压辊中冷却水流量为50L/min；
(3)将步骤(2)得到的铝合金线坯经热轧和拉拔、中间退火及表面处理，最后加工为的盘卷焊丝和的直条焊丝。
最终制备出Al-Mg-Ti合金焊丝，含有纳米级(30nm～100nm)及亚微米级(0.1μm～2μm)梯度尺度TiB2颗粒。
实施例4
Al-Mg-Ti合金焊丝的化学成分以质量百分比计为：Mg：5％，Ti：3.5％,B：0.8％，Mn：0.1％，Cr：0.1％，Al为余量。该Al-Mg-Ti合金焊丝的制备工艺步骤如下：
(1)以纯镁、Al-10Mn及Al-10Cr中间合金为添加材料，以Al-3Ti-1B和Al-5Ti-1B为主要原材料进行配料。首先将Al-Mn、Al-Cr和Al-Ti-B等中间合金在760℃的熔炼炉中熔化，加入纯镁，充分搅拌均匀，然后进行精炼除气除渣等熔体净化工序；
(2)将步骤(1)得到的合金熔体在710℃时导入到中间包保温，并在690℃时注入到连续半固态流变挤压机，制备出直径为9.0mm的铝合金线坯，连续流变挤压机挤压辊转速为20m/min，挤压辊中冷却水流量为45L/min；
(3)将步骤(2)得到的铝合金线坯经热轧和拉拔、中间退火及表面处理，最后加工为的盘卷焊丝和的直条焊丝。
最终制备出Al-Mg-Ti合金焊丝，含有纳米级(30nm～100nm)及亚微米级(0.1μm～2μm)梯度尺度TiB2颗粒。

Claims (3)

1.一种新型Al-Mg-Ti合金焊丝，其特征在于，所述合金焊丝中各主元素的化学成分按重量百分比为：Mg:4.0％～6.0％；Ti:1.0％～4.5％；B:0.2％～0.9％；Mn:0.1％～1.0％；Cr:0.05％～0.25％，余量为Al和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述Al-Mg-Ti合金焊丝，其特征在于，所述合金焊丝中各主元素的化学成分按重量百分比为：Mg:4.5％～5.5％；Ti:2.0％～3.0％；B:0.5％～0.9％；Mn:0.1％～0.3％；Cr:0.05％～0.15％。
3.一种制备权利要求1或2所述Al-Mg-Ti合金焊丝的方法，其特征在于采用以下工艺步骤：
(1)以纯镁、Al-Mn和Al-Cr中间合金为添加材料，以Al-Ti-B为主要原材料进行配料，首先将Al-Mn、Al-Cr和Al-Ti-B在温度控制在720℃～780℃的熔炼炉中熔化，加入纯镁，充分搅拌均匀，然后进行精炼除气除渣将熔体净化；
(2)将步骤(1)得到的合金熔体在700℃～730℃时导入到中间包保温，并在680℃～710℃时注入到连续半固态流变挤压机，制备出直径为8mm～10mm的铝合金线坯，连续流变挤压机挤压辊转速为5m/min～30m/min，挤压辊中冷却水流量为40L/min～60L/min；
(3)将步骤(2)得到的铝合金线坯经热轧和拉拔、中间退火及表面处理，加工成的盘卷焊丝和/或的直条焊丝。
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