CN111139385B - 一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝及其制备方法和应用。该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：12.5‑14.5％，Mg：1.8‑3.0％，Cu：3.0‑4.5％，Zr：0.02‑0.3％，Cr：0.03‑0.3％，Fe：0.01‑0.4％，Si：0.01‑0.3％，Mn：0.01‑0.4％，TiB2陶瓷颗粒≤6％，余量为Al；其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为1微米‑10微米。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金焊丝技术领域，特别涉及到一种含陶瓷颗粒的铝合金 焊丝及其制备方法和应用。
背景技术
铝合金具备高比强度、高比刚度的优点，广泛应用于航空航天、交通运 输等领域。随着高新技术快速发展，对其的要求也越来越高，安全环保、节 能减排成为目前最重要的发展方向。尤其是7XXX系高强铝合金，以其优良的 综合性能成为最具有发展前景的轻量化材料，并受到国内外学者专家的共同 关注。
但是，7XXX系高强铝合金焊接性能差，存在着焊接接头裂纹倾向大、接 头软化严重以及变形等一系列问题。采用目前常用的Al-Mg系焊丝时，焊缝极 易产生裂纹，且焊缝强度最多只能稳定到300MPa左右，无法满足高比强度、 高比刚度的要求。
研究表明，纳米颗粒的引入不仅可以有效的细化晶粒、改善第二相的尺 寸和分布，而且可以从根本上消除材料的热裂敏感性。
因此，亟待开发一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝，提高焊缝强度和热稳定 性，解决7XXX系铝合金焊接易开裂的问题。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明目的提供了一种提高焊缝强度和热 稳定性的含陶瓷颗粒的铝合金焊丝及其制备方法。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案来实现的：
一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝，其特征在于，所述铝合金焊丝按重量百 分比包含如下元素：Zn：12.5-14.5％，Mg：1.8-3.0％，Cu：3.0-4.5％，Zr： 0.02-0.3％，Cr：0.03-0.3％，Fe：0.01-0.4％，Si：0.01-0.3％，Mn：0.01-0.4％，TiB2陶瓷颗粒≤6％，余量为Al；其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为1微米-10微米。
在本发明的一个优选实施例中，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下 元素：Zn为12.5％，Mg为1.8％，Cu为3.0％，Zr为0.2％，Cr为0.15％，Fe为0.3％， Si为0.2％，Mn为0.4％，TiB2陶瓷颗粒为6％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的 粒径为1微米-3微米。
在本发明的一个优选实施例中，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下 元素：Zn：13-14.5％，Mg：2.1-2.6％，Cu：3.0-4.0％，Zr：0.02-0.3％，Cr： 0.03-0.3％，Fe：0.01-0.4％，Si：0.01-0.3％，Mn：0.01-0.4％，TiB2陶瓷颗粒 ≤4％，余量为Al。
在本发明的一个优选实施例中，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下 元素：Zn为14.5％，Mg为2.2％，Cu为4％，Zr为0.15％，Cr为0.1％，Fe为0.2％， Si为0.15％，Mn为0.15％，TiB2陶瓷颗粒为3.5％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗 粒的粒径为4微米-7微米。
在本发明的一个优选实施例中，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下 元素：Zn：13-14％，Mg：2.5-2.6％，Cu：3.0-3.5％，Zr：0.02-0.3％，Cr：0.03-0.3％， Fe：0.01-0.4％，Si：0.01-0.3％，Mn：0.01-0.4％，TiB2陶瓷颗粒≤2％，余量 为Al。
在本发明的一个优选实施例中，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下 元素：Zn为13％，Mg为2.6％，Cu为3.5％，Zr为0.15％，Cr为0.03％，Fe为0.03％， Si为0.02％，Mn为0.04％，TiB2陶瓷颗粒为1.5％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗 粒的粒径为8微米-10微米。
本发明还公开了一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法，其特征在于， 包括如下步骤：
S1：原位合成反应
将纯铝熔融后加入覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，将均匀混合的匀 混合的KBF4、K2TiF6粉末烘干后加入熔炼所得的熔体中搅拌，反应结束扒渣后 加入其他含有元素的化合物，然后添加精炼剂精炼，并进行真空除气，得到 含陶瓷颗粒的铝合金金属液；
S2：超声波电磁半连续铸造
将步骤S1所得的金属液搅拌均匀，在氩气环境下，进行超声波电磁半连 续铸造，制得铸锭；
S3：均匀化
将步骤S2所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯；
S4：挤压
将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为10-15；
S5：高温拉拔
将步骤S4得到的铝合金线坯预热至400-420度，在400-420度之间进行多 道次拉拔，得到不同规格的焊丝；
S6：表面处理
将步骤S5得到的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤S2中当熔体温度降至710-730℃ 时开始半连续铸造，开始铸造时速度控制在30-50mm/min，冷却水量为 70-90L/min，然后逐步提高铸造速度一直到60-100mm/min，待速度稳定后开 始施加电磁场，施加电流为I(55-65A)，频率f(5-35Hz)，当铸锭长度为 110-130mm时，在施加电磁场的同时施加超声场，超声功率为70-210W。
在本发明的一个优选实施例中，所述步骤S3均匀化退火温度为465-475 度。
本发明还公开了一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝在电弧增材制造中的应 用。
与现有技术相比，本发明具有以下几点有益效果：
1)本发明解决了7XXX系铝合金焊接强度低，容易热裂的问题。采用本发 明的焊丝焊接7XXX系铝合金，焊缝的热稳定性和焊缝强度可以得到显著提升。
2)采用超声波电磁半连续铸造工艺制备焊丝铸锭，可实现颗粒在组织中 的均匀分布，细化晶粒。
3)采用高温拉拔，能显著提升焊丝的成型质量，提高电弧焊接的稳定性。
4)采用(超声场+电磁场)复合场铸造后7XXX系铝合金内部组织得到了 明显改善，它综合了单一磁场和单一超声场的优势。超声场弥补了电磁场的 “集肤效应”，而电磁场的集肤效应弥补了超声场的“聚集作用”。
5)在基体中加入陶瓷颗粒的方法也可以应用到7XXX铝合金以外的、焊接 过程中容易产生热裂的材料中。
6)本发明为其他难以焊接的材料体系提供了一种新思路并且有望提高 不同材料间的焊接。
7)本发明TiB2陶瓷颗粒占焊丝总重量百分比≤6％，有效的提高了焊丝的 综合性能，若TiB2陶瓷颗粒超过焊丝总重量百分比的6％，会导致焊丝材料，气 孔、酥松、焊缝性能差等缺点。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了 解，下面进一步阐述本发明。
实施例1
一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元 素：Zn为12.5％，Mg为1.8％，Cu为3.0％，Zr为0.2％，Cr为0.15％，Fe为0.3％， Si为0.2％，Mn为0.4％，TiB2陶瓷颗粒为6％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的 粒径为1微米-3微米。
实施例1的含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法具体步骤如下：
S1：原位合成反应
将纯铝熔融后加入覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，将均匀混合的匀 混合的KBF4、K2TiF6粉末烘干后加入熔炼所得的熔体中搅拌，反应结束扒渣后 加入其他含有元素的化合物，然后添加精炼剂精炼，并进行真空除气，得到 含陶瓷颗粒的铝合金金属液；
S2：超声波电磁半连续铸造
将步骤S1所得的金属液搅拌均匀，在氩气环境下，进行超声波电磁半连 续铸造，制得铸锭；当熔体温度降至710-730℃时开始半连续铸造，开始铸造 时速度控制在40mm/min，冷却水量为70L/min，然后逐步提高铸造速度一直到 90mm/min，待速度稳定后开始施加电磁场，施加电流为I(55-65A)，频率f＝5Hz， 当铸锭长度为110-130mm时，在施加电磁场的同时施加超声场，超声功率为 70W；
S3：均匀化
将步骤S2所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯，均匀化退火温度为 465-475度；
S4：挤压
将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为10-15；
S5：高温拉拔
将步骤S4得到的铝合金线坯预热至400-420度，在400-420度之间进行多 道次拉拔，得到不同规格的焊丝；
S6：表面处理
将步骤S5得到的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
实施例2
一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元 素：Zn为14.5％，Mg为2.2％，Cu为4％，Zr为0.15％，Cr为0.1％，Fe为0.2％，Si 为0.15％，Mn为0.15％，TiB2陶瓷颗粒为3.5％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒 的粒径为4微米-7微米。
实施例2的含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法具体步骤如下：
S1：原位合成反应
将纯铝熔融后加入覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，将均匀混合的匀 混合的KBF4、K2TiF6粉末烘干后加入熔炼所得的熔体中搅拌，反应结束扒渣后 加入其他含有元素的化合物，然后添加精炼剂精炼，并进行真空除气，得到 含陶瓷颗粒的铝合金金属液；
S2：超声波电磁半连续铸造
将步骤S1所得的金属液搅拌均匀，在氩气环境下，进行超声波电磁半连 续铸造，制得铸锭；当熔体温度降至710-730℃时开始半连续铸造，开始铸造 时速度控制在40mm/min，冷却水量为85L/min，然后逐步提高铸造速度一直到 90mm/min，待速度稳定后开始施加电磁场，施加电流为I(55-65A)，频率 f＝20Hz，当铸锭长度为110-130mm时，在施加电磁场的同时施加超声场，超声 功率为140W；
S3：均匀化
将步骤S2所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯，均匀化退火温度为 465-475度；
S4：挤压
将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为10-15；
S5：高温拉拔
将步骤S4得到的铝合金线坯预热至400-420度，在400-420度之间进行多 道次拉拔，得到不同规格的焊丝；
S6：表面处理
将步骤S5得到的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
实施例3
一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝，该铝合金焊丝按重量百分比包含如下元 素：Zn为13％，Mg为2.6％，Cu为3.5％，Zr为0.15％，Cr为0.03％，Fe为0.03％， Si为0.02％，Mn为0.04％，TiB2陶瓷颗粒为1.5％，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗 粒的粒径为8微米-10微米。
实施例3的含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法具体步骤如下：
S1：原位合成反应
将纯铝熔融后加入覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，将均匀混合的匀 混合的KBF4、K2TiF6粉末烘干后加入熔炼所得的熔体中搅拌，反应结束扒渣后 加入其他含有元素的化合物，然后添加精炼剂精炼，并进行真空除气，得到 含陶瓷颗粒的铝合金金属液；
S2：超声波电磁半连续铸造
将步骤S1所得的金属液搅拌均匀，在氩气环境下，进行超声波电磁半连 续铸造，制得铸锭；当熔体温度降至710-730℃时开始半连续铸造，开始铸造 时速度控制在40mm/min，冷却水量为85L/min，然后逐步提高铸造速度一直到 90mm/min，待速度稳定后开始施加电磁场，施加电流为I(55-65A)，频率 f＝20Hz，当铸锭长度为110-130mm时，在施加电磁场的同时施加超声场，超声 功率为210W；
S3：均匀化
将步骤S2所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯，均匀化退火温度为465-475度；
S4：挤压
将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为10-15；
S5：高温拉拔
将步骤S4得到的铝合金线坯预热至400-420度，在400-420度之间进行多 道次拉拔，得到不同规格的焊丝；
S6：表面处理
将步骤S5得到的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
性能测试结果
使用本实施例1-3制备的含陶铝颗粒的铝合金焊丝进行电弧增材制造，将 制造所得试样进行T6热处理后进行拉伸性能测试，试样测试标准采用ASTM E8 金属拉伸试验标准，结果如下表1所示。
| 屈服强度/MPa | 断裂强度/MPa | 延伸率 | |
| 实施例1 | 490 | 595 | 9％ |
| 实施例2 | 512 | 621 | 12％ |
| 实施例3 | 536 | 650 | 15％ |
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行 业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明 书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本 发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围 内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (8)
1.一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：12.5-14.5%，Mg：1.8-3.0%，Cu：3.0-4.5%，Zr：0.02-0.3%，Cr：0.03-0.3%，Fe：0.01-0.4%，Si：0.01-0.3%，Mn：0.01-0.4%，TiB2陶瓷颗粒≤6%，余量为Al；其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为1微米-10微米，用于制备所述的含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的方法包括如下步骤：
S1：将纯铝熔融后加入覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，将均匀混合的KBF4、K2TiF6粉末烘干后加入熔炼所得的熔体中搅拌，反应结束扒渣后加入其他含有元素的化合物，然后添加精炼剂精炼，并进行真空除气，得到含陶瓷颗粒的铝合金金属液；
S2：将步骤S1所得的金属液搅拌均匀，在氩气环境下，进行超声波电磁半连续铸造，制得铸锭，所述超声波电磁半连续铸造是指：当熔体温度降至710-730℃时开始半连续铸造，开始铸造时速度控制在30-50mm/min，冷却水量为70-90L/min，然后逐步提高铸造速度一直到60-100mm/min，待速度稳定后开始施加电磁场，施加电流I为55-65A，频率f为5-35Hz，当铸锭长度为110-130mm时，在施加电磁场的同时施加超声场，超声功率为70-210W；
S3：将步骤S2所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯；
S4：将步骤S3得到的铸坯挤压成铝合金线坯，挤压比为10-15；
S5：将步骤S4得到的铝合金线坯预热至400-420度，在400-420度之间进行多道次拉拔，得到不同规格的焊丝；
S6：将步骤S5得到的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
2.根据权利要求1所述的一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法，其特征在于：所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为12.5%，Mg为1.8%，Cu为3.0%，Zr为0.2%，Cr为0.15%，Fe为0.3%，Si为0.2%，Mn为0.4%，TiB2陶瓷颗粒为6%，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为1微米-3微米。
3.根据权利要求1所述的一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法，其特征在于：所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：13-14.5%，Mg：2.1-2.6%，Cu：3.0-4.0%，Zr：0.02-0.3%，Cr：0.03-0.3%，Fe：0.01-0.4%，Si：0.01-0.3%，Mn：0.01-0.4%，TiB2陶瓷颗粒≤4%，余量为Al。
4.根据权利要求3所述的一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法，其特征在于：所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为14.5%，Mg为2.2%，Cu为4%，Zr为0.15%，Cr为0.1%，Fe为0.2%，Si为0.15%，Mn为0.15%，TiB2陶瓷颗粒为3.5%，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为4微米-7微米。
5.根据权利要求1所述的一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法，其特征在于：所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn：13-14%，Mg：2.5-2.6%，Cu：3.0-3.5%，Zr：0.02-0.3%，Cr：0.03-0.3%，Fe：0.01-0.4%，Si：0.01-0.3%，Mn：0.01-0.4%，TiB2陶瓷颗粒≤2%，余量为Al。
6.根据权利要求5所述的一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法，其特征在于：所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：Zn为13%，Mg为2.6%，Cu为3.5%，Zr为0.15%，Cr为0.03%，Fe为0.03%，Si为0.02%，Mn为0.04%，TiB2陶瓷颗粒为1.5%，余量为Al，其中，TiB2陶瓷颗粒的粒径为8微米-10微米。
7.根据权利要求1所述的一种含陶瓷颗粒的铝合金焊丝的制备方法，其特征在于：所述步骤S3均匀化退火温度为465-475度。
8.一种如权利要求1所示的含陶瓷颗粒的铝合金焊丝在电弧增材制造中的应用。
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