CN107598411B - 一种tc11钛合金用焊丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种TC11钛合金用焊丝及其制备方法，采用0级海绵钛、铝豆、铝钼合金、海绵锆为原料，按重量百分比为Al：2.0～3.0％、Mo：1.5～2.5％、Zr：0.5～1.5％进行混料后，压制成自耗电极，然后组焊成自耗电极；将自耗电极进行一次熔炼，得到一次铸锭；将一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，得到二次铸锭；将二次铸锭扒皮，切除冒口，锻造成坯料，经锻造、轧制、拉丝、矫直、磨光后真空退火即可。本发明焊丝成分中不含Si元素，明显降低了Al、Mo、Zr元素的含量，同时降低了Fe、C、N、H、O等杂质元素的含量。本发明合理调整的焊丝合金元素及含量，降低焊丝的合金化程度，使焊缝呈现出较好的综合性能。
Description
技术领域
本发明属于高温高强钛合金制备领域，涉及一种TC11钛合金用焊丝及其制备方法。
背景技术
钛合金以其优异的热强性和高的比强度，在航空工业中得到了广泛应用，高温高强钛合金是钛合金研究领域的重点之一，主要用于航空发动机压气机叶片，盘件等。
TC11钛合金是一种综合性能良好的α+β型钛合金，具有良好的热加工工艺性，一般以锻件形式投入使用。为了降低成本获得复杂外形，其铸造性能也备受关注。一般铸件需要补焊，TC11铸件同样需要用焊丝，目前没有TC11钛合金焊接专用的焊丝牌号，无法满足TC11钛合金铸件应用需要。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供了一种TC11钛合金焊接用焊丝及其制备方法，该焊丝具有良好的焊接性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种TC11钛合金用焊丝的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用0级海绵钛、铝豆、铝钼合金、海绵锆为原料，按重量百分比为Al：2.0～3.0％、Mo：1.5～2.5％、Zr：0.5～1.5％进行混料后，压制成自耗电极；
步骤2：将步骤1制备的电极组焊成自耗电极；
步骤3：将步骤2制备的自耗电极进行一次熔炼，得到一次铸锭；
步骤4：将步骤3得到的一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，得到二次铸锭；
步骤5：将步骤4中的二次铸锭扒皮，切除冒口，锻造成坯料；
步骤6：将步骤5中的坯料经锻造、轧制、拉丝、矫直、磨光后得到丝材；
步骤7：将步骤6中的丝材再进行真空退火后，得到TC11钛合金用焊丝。
本发明进一步的改进在于，步骤1中采用油压机压制成自耗电极。
本发明进一步的改进在于，步骤2中采用等离子氩弧焊接方法进行组焊。
本发明进一步的改进在于，步骤3中采用真空自耗熔炼方法进行一次熔炼。
本发明进一步的改进在于，步骤5中锻造的温度为1100～1200℃。
本发明进一步的改进在于，步骤6中丝材的直径为1～3mm。
本发明进一步的改进在于，步骤7中真空退火工艺为：温度为640℃～760℃，保温时间为1h～3h，保温过程真空度小于0.01Pa，随炉冷却至100℃以下出炉。
一种基TC11钛合金用焊丝，该焊丝的组分为Ti-Al-Mo-Zr，按重量百分比计，组成为Al：2.0～3.0％、Mo：1.5～2.5％、Zr：0.5～1.5％，余量为钛和不可避免的杂质，杂质为Fe、C、O、Si、N以及H；其中杂质的重量百分比为：Fe≤0.15％、C≤0.10％、O≤0.12％、Si≤0.10％、N≤0.04％、H≤0.003％。
本发明进一步的改进在于，该焊丝的组分为Ti-Al-Mo-Zr，按重量百分比计，组成为Al：2.0～2.5％、Mo：1.5～2％、Zr：0.5～1％，余量为钛和不可避免的杂质，杂质为Fe、C、O、Si、N以及H；其中杂质的重量百分比为：Fe≤0.15％、C≤0.10％、O≤0.12％、Si≤0.10％、N≤0.04％、H≤0.003％。
本发明进一步的改进在于，该焊丝的组分为Ti-Al-Mo-Zr，按重量百分比计，组成为Al：2.5～3％、Mo：2～2.5％、Zr：1～1.5％，余量为钛和不可避免的杂质，杂质为Fe、C、O、Si、N以及H；其中杂质的重量百分比为：Fe≤0.15％、C≤0.10％、O≤0.12％、Si≤0.10％、N≤0.04％、H≤0.003％。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：由于采用TC11钛合金丝材进行TC11合金铸件焊接，焊接处抗拉强度与母材相当，但延伸率和断面收缩率明显低于母材。Al元素在明显提高材料高温抗变形能力同时，对材料塑、韧性的降低作用也很明显，所以本发明通过降低Al元素等合金化元素含量来达到焊缝区域抗变形能力不降低的同时改善其塑性的目的。由于硅的添加能够提高钛合金的抗蠕变性能，但是当硅的含量超过基体的最大固溶量时，硅化物的析出会随着温度的增加的加剧，阻挡α片层内不同方向的滑移带，易于在硅化物处产生应力集中，诱发空洞和裂纹的形成，使α片层组织表现出层状断裂形态，合金的塑性有所下降，所以本发明中不含Si。本发明中Al元素主要起到强化α固溶体作用，但铝元素含量过高时，会生成Ti3Al为基的有序α2相。这种以Ti3Al为基的α2相的存在，会提高合金的抗拉强度，而合金的塑性和韧性指标会变坏，所以本发明中Al：2.0～3.0％。本发明中的Zr在合金中属于中性元素，它们在α-Ti和β-Ti中均有较大的固溶度，与其它元素一起加入，可以起到补充强化作用，所以本发明中的Zr为0.5～1.5％。本发明中的Mo是钛合金中稳定β相最常用的元素，合金中添加少量的Mo可以使合金具有良好的高温蠕变性能和热稳定性的配合，所以本发明中Mo为1.5～2.5％。与TC11钛合金相比，本发明焊丝成分中不含Si元素，明显降低了Al、Mo、Zr元素的含量，同时降低了Fe、C、N、H、O等杂质元素的含量。本发明合理调整的焊丝合金元素及含量，降低焊丝的合金化程度，使焊缝呈现出较好的综合性能。
本发明采用0级海绵钛、铝豆、铝钼合金、海绵锆为原料，混料后，压制成自耗电极，然后组焊成自耗电极，经过两次熔炼，扒皮，切除冒口，锻造成坯料；然后轧制、拉丝、矫直、磨光后得到丝材；进行真空退火后，得到TC11钛合金用焊丝。本发明制备方法简单，易于工业化生产，并且采用传统的氩弧焊机进行铸件补焊，焊缝表面均匀光滑，呈银白色，无裂纹、气孔等缺陷，焊缝质量良好。
具体实施方式
现结合实施例对本发明作进一步详细描述，本发明中％表示质量百分含量。
本发明的TC11钛合金用焊丝的组分为Ti-Al-Mo-Zr，按重量百分比计，组成为Al：2.0～3.0％、Mo：1.5～2.5％、Zr：0.5～1.5％，余量为钛和不可避免的杂质，杂质为Fe、C、O、Si、N以及H；其中杂质的重量百分比为：Fe≤0.15％、C≤0.10％、O≤0.12％、Si≤0.10％、N≤0.04％、H≤0.003％。
实施例1
以制备Φ1mm Ti2Al1.5Mo0.5Zr合金焊丝为例，其制备步骤如下：
步骤1：采用0级海绵钛，铝豆、铝钼合金(AlMo60)、海绵锆为原料，按重量百分比配比为Al：2.2％、Mo：1.5％、Zr：0.5％进行混料后，用油压机压制成自耗电极。
步骤2：采用等离子氩弧焊接方法将步骤1制备的电极块组焊成自耗电极。
步骤3：采用真空自耗熔炼方法将步骤2制备的自耗电极进行一次熔炼，得到一次铸锭。
步骤4：将步骤3得到的一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，得到二次铸锭。
步骤5：将步骤4中的二次铸锭扒皮，切除冒口，在1100～1150℃下锻造成坯料。
步骤6：将步骤5中的坯料经锻造、轧制、拉丝、矫直、磨光后得到Φ1mm丝材。
步骤7：将步骤6中的丝材再进行真空退火后，以达到除氢的目的，从而得到TC11钛合金用焊丝。其中，真空退火工艺为：640℃～760℃，保温1h～3h，保温过程真空小于0.01Pa，随炉冷却至100℃以下，即可出炉。
对步骤7制备的焊丝头部及尾部取样进行化学成分分析，见表1：
表1合金焊丝化学成分
采用氩弧焊接工艺进行TC11钛合金铸件进行补焊。焊接电流：140～200A、焊接电压：15～30V，氩气保护气体流量：10～20L/min，氩气纯度≥99.99％。焊接结束后，继续通氩气保护5～10min。
补焊后对其焊缝进行检验，焊缝表面均匀光滑，呈银白色色，未发现裂纹、气孔等缺陷，焊接质量良好。
实施例2
以制备Φ2mm Ti2.5Al2Mo1Zr合金焊丝为例，其制备步骤如下：
步骤1：采用0级海绵钛，铝豆、铝钼合金(AlMo60)、海绵锆为原料，按重量百分比配比为Al：2.5％、Mo：2.0％、Zr：1.0％进行混料后，用油压机压制成自耗电极。
步骤2：采用等离子氩弧焊接方法将步骤1制备的电极块组焊成自耗电极。
步骤3：采用真空自耗熔炼方法将步骤2制备的自耗电极进行一次熔炼，得到一次铸锭。
步骤4：将步骤3得到的一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，得到二次铸锭。
步骤5：将步骤4中的二次铸锭扒皮，切除冒口，在1150～1170℃锻造成坯料。
步骤6：将步骤5中的坯料经锻造、轧制、拉丝、矫直、磨光后得到Φ2mm丝材。
步骤7：将步骤6中的丝材再进行真空退火后，以达到除氢的目的，从而得到TC11钛合金用焊丝。其中，真空退火工艺为：640℃～760℃，保温1h～3h，保温过程真空小于0.01Pa，随炉冷却至100℃以下，即可出炉。
对步骤7制备的焊丝头部及尾部取样进行化学成分分析，见表2：
表2合金焊丝化学成分
采用氩弧焊接工艺进行TC11钛合金铸件进行补焊。焊接电流：140～200A、焊接电压：15～30V，氩气保护气体流量：10～20L/min，氩气纯度≥99.99％。焊接结束后，继续通氩气保护5～10min。
补焊后对其对焊缝进行检验，焊缝表面均匀光滑，呈银白色，无裂纹、气孔等缺陷。
实施例3
以制备Φ3mm Ti3Al2.5Mo1.5Zr合金焊丝为例，其制备步骤如下：
步骤1：采用0级海绵钛，铝豆、铝钼合金(AlMo60)、海绵锆为原料，按重量百分比配比为Al：3.0％、Mo：2.3％、Zr：1.4％进行混料后，用油压机压制成自耗电极。
步骤2：采用等离子氩弧焊接方法将步骤1制备的电极块组焊成自耗电极。
步骤3：采用真空自耗熔炼方法将步骤2制备的自耗电极进行一次熔炼，得到一次铸锭。
步骤4：将步骤3得到的一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，得到二次铸锭。
步骤5：将步骤4中的二次铸锭扒皮，切除冒口，在1170～1200℃锻造成坯料。
步骤6：将步骤5中的坯料经锻造、轧制、拉丝、矫直、磨光后得到Φ3丝材。
步骤7：将步骤6中的丝材再进行真空退火后，以达到除氢的目的，从而得到TC11钛合金用焊丝。其中，真空退火工艺为：640℃～760℃，保温1h～3h，保温过程真空小于0.01Pa，随炉冷却至100℃以下，即可出炉。
对步骤7制备的焊丝头部及尾部取样进行化学成分分析，见表3：
表3合金焊丝化学成分
采用氩弧焊接工艺进行TC11钛合金铸件进行补焊。焊接电流：140～200A、焊接电压：15～30V，氩气保护气体流量：10～20L/min，氩气纯度≥99.99％。焊接结束后，继续通氩气保护5～10min。
补焊后对焊缝表面进行检验，焊缝均匀光滑，呈银白色，未发现裂纹、气孔等缺陷。
实施例4
步骤1：采用0级海绵钛、铝豆、铝钼合金、海绵锆为原料，按重量百分比为Al：2.0％、Mo：2.5％、Zr：1.5％进行混料后，采用油压机压制成自耗电极；
步骤2：将步骤1制备的电极块采用等离子氩弧焊接方法进行组焊成自耗电极；
步骤3：采用真空自耗熔炼方法将步骤2制备的自耗电极进行一次熔炼，得到一次铸锭；
步骤4：将步骤3得到的一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，得到二次铸锭；
步骤5：将步骤4中的二次铸锭扒皮，切除冒口，在1100℃下锻造成坯料；
步骤6：将步骤5中的坯料经锻造、轧制、拉丝、矫直、磨光后得到直径为3mm丝材；
步骤7：将步骤6中的丝材进行真空退火后，真空退火的温度为760℃，保温时间为1h，保温过程真空度小于0.01Pa，随炉冷却至100℃以下出炉，得到TC11钛合金用焊丝。
实施例5
步骤1：采用0级海绵钛、铝豆、铝钼合金、海绵锆为原料，按重量百分比为Al：2.7％、Mo：1.8％、Zr：0.8％进行混料后，采用油压机压制成自耗电极；
步骤2：将步骤1制备的电极块采用等离子氩弧焊接方法进行组焊成自耗电极；
步骤3：采用真空自耗熔炼方法将步骤2制备的自耗电极进行一次熔炼，得到一次铸锭；
步骤4：将步骤3得到的一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，得到二次铸锭；
步骤5：将步骤4中的二次铸锭扒皮，切除冒口，在1100℃下锻造成坯料；
步骤6：将步骤5中的坯料经锻造、轧制、拉丝、矫直、磨光后得到直径为3mm丝材；
步骤7：将步骤6中的丝材进行真空退火后，真空退火的温度为640℃，保温时间为3h，保温过程真空度小于0.01Pa，随炉冷却至100℃以下出炉，得到TC11钛合金用焊丝。
Claims (6)
1.一种TC11钛合金用焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用0级海绵钛、铝豆、铝钼合金、海绵锆为原料，按重量百分比为Al：2.5～3.0％、Mo：2～2.5％、Zr：0.5～1％进行混料后，压制成自耗电极；
步骤2：将步骤1制备的电极组焊成自耗电极；
步骤3：将步骤2制备的自耗电极进行一次熔炼，得到一次铸锭；
步骤4：将步骤3得到的一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，得到二次铸锭；
步骤5：将步骤4中的二次铸锭扒皮，切除冒口，锻造成坯料；其中，锻造的温度为1100～1200℃；
步骤6：将步骤5中的坯料经锻造、轧制、拉丝、矫直、磨光后得到丝材；
步骤7：将步骤6中的丝材再进行真空退火后，得到TC11钛合金用焊丝；其中，真空退火工艺为：温度为640℃～760℃，保温时间为1h～3h，保温过程真空度小于0.01Pa，随炉冷却至100℃以下出炉。
2.根据权利要求1所述的一种TC11钛合金用焊丝的制备方法，其特征在于，步骤1中采用油压机压制成自耗电极。
3.根据权利要求1所述的一种TC11钛合金用焊丝的制备方法，其特征在于，步骤2中采用等离子氩弧焊接方法进行组焊。
4.根据权利要求1所述的一种TC11钛合金用焊丝的制备方法，其特征在于，步骤3中采用真空自耗熔炼方法进行一次熔炼。
5.根据权利要求1所述的一种TC11钛合金用焊丝的制备方法，其特征在于，步骤6中丝材的直径为1～3mm。
6.一种基于权利要求1所述的方法制得的TC11钛合金用焊丝，其特征在于，该焊丝的组分为Ti-Al-Mo-Zr，按重量百分比计，组成为Al：2.5～3.0％、Mo：2～2.5％、Zr：0.5～1％，余量为钛和不可避免的杂质，杂质为Fe、C、O、Si、N以及H；其中杂质的重量百分比为：Fe≤0.15％、C≤0.10％、O≤0.12％、Si≤0.10％、N≤0.04％、H≤0.003％。
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