專利名稱：一種用于ods合金熔化焊的焊絲的制作方法
技術領域：
本發明涉及新型材料焊接領域，主要用于ODS合金的熔化焊接，針對ODS合金熔化焊焊縫中出現原增強相顆粒燒損、團聚、新生增強相分布不均勻等降低焊接接頭力學性能的問題，利用原位合金化焊接方法，通過向焊接熔池中加入本發明的焊絲，原位生成更加穩定的新顆粒相，從而提高焊接接頭強度等力學性能。
背景技術：
ODS合金為采用機械合金化方法制備，并經過軋制加工的氧化物彌散強化(Oxidedispersion strengthened, ODS )的合金板材；0DS合金具有高溫力學性能好、高溫抗氧化和抗腐蝕性能好等綜合性能優異的特點，因此在航空發動機熱端零部件的選材方面有突出的優勢；目前，該材料已經在一些發達國家的航空、航天以及能源等領域得到應用。比如應·用于航空發動機高效冷卻結構——多空層板結構，其化學成分如表I所示
表I ODS合金化學成分(質量分數，%)
'~元素..; C^" IT~ ~~ Fe^-*
................ 19.64 - 5.06-■ 0.52.- 0.40^ H22-+ 0.020.” 0.00 0 < BaT~
ODS合金不處于冶金平衡狀態，用熔化焊方法進行焊接比較困難，這是因為熔焊時的熔化過程破壞了 ODS合金不平衡的冶金狀態，使原來加入金屬基體的一些熔點高、密度又較金屬輕的氧化物質點與液體金屬發生分離，并聚集成渣，殘留在焊縫中或上浮集中到焊縫表面，這就破壞了材料原先的組成和性能，特別是抗拉強度等力學性能。以下是采用ODS合金材料本身作為填充材料時，焊接接頭的組織和拉伸情況
對I. 3mm厚的ODS合金進行TIG焊，焊接前對母材試件表面進行嚴格清理，采用直流正接，焊接電流70A，焊接速度I. 8 mm/s，采用純度為99. 9%的氬氣作為保護氣，氣體流量為8L /min，在型號為MW3000逆變全數字化鎢極氬弧焊機上對ODS合金進行對焊；焊后沿焊縫橫截面制取金相及拉伸試樣，利用SEM及EDS進行分析，綜合分析圖I、圖2，在掃描電鏡下焊縫表面存在一些圓形的孔洞，在一些孔洞內看到有球狀顆粒物存在，用XRD對孔洞內球狀顆粒物成分分析得知，這些顆粒物應為粗化了的彌散強化相Y-Al復合氧化物，這是由于熔焊過程超過1500°C的高溫不可避免地導致鋼的基體中原有彌散分布的超細的氧化物顆粒(Y2O3)發生燒損團聚，生成直徑在Ium以上的Al5Y3O12顆粒，粗化了的Y-Al復合氧化物顆粒失去了對焊縫的強化作用，嚴重降低了 ODS合金的抗拉強度，焊接接頭的拉伸強度僅為380MPa。針對ODS合金熔化焊焊縫中出現增強相顆粒燒損、增強相分布不均勻等問題，采用原位合金化焊接方法，通過向焊接熔池中加入微量合金元素Ti、Si、C、W、Mn、Ta、V等，原位生成更加穩定的新顆粒相；并且通過向焊接熔池中加入微量稀土元素，在細化晶粒、凈化焊縫的同時，可以生成AlYO3和ReMO3等增強顆粒，從而提高抗拉強度，焊縫原位合金化焊接ODS合金需要一種焊接填充材料，因此發明一種焊接填充材料是實現ODS合金熔化焊的關鍵。
經對現有技術的文獻檢索發現，目前國內外尚未出現相關的專利申請。

發明內容
本發明的目的在于提供一種應用于ODS合金的熔化焊接的填充材料，以有效抑制原增強相顆粒燒損、團聚等問題，獲得成形良好的焊縫，提高焊接接頭組織的力學性能。為達到上述目的，本發明采用的方法是以母材基體化學成分為基礎，添加Si、Ti、W、V、Ta、Re等合金元素，通過變換相關元素或化合物的含量進行焊接；其中Y2O3和La2O3的加入可以細化晶粒并形成新的顆粒增強相從而對焊縫金屬具有增強作用，經過試驗對比確定其成分設計為(質量分數)2% 10% ；Si的加入可以改善焊接過程中熔池的流動性，生成SiO2顆粒既對基體起到了增強作用又降低了熔池中的含氧量，經過試驗對比確定其成分設計為(質量分數)1% 5%;填加適量的Ti (0.5% 4%)，是為了形成大量彌散碳化物TiC，控制晶粒生長，細化晶粒，提高材料強度和韌性；C的加入一方面可以通過分壓作用減少氣孔的產生，另一方面可以和其他元素反應形成TiC、TaC等增強相顆粒；結合前面已做實驗結果，W的成分(質量分數)設計為0. 5% 3%，目的是保持所需的足夠常溫及高溫強 度；考慮到Cr的含量對低溫沖擊韌性值的影響，對Cr的含量做出調整將Cr的成分設計為(質量分數)10% 25% ;填加適量的Ta (0. 1% 0. 5%)，是為了形成大量彌散碳化物，控制晶粒生長，細化晶粒，提高材料強度和韌性，Ta( C，N )的生成一方面可以提供大量形核的核心，以利于形核，另一方面這些第二相阻礙了位錯的滑移運動，從而增大了塑性變形的抗力；添加Mn (質量分數)設計為0.2 % 1%，主要目的是提高焊接接頭的強度；需要加入適量的V，(質量分數)設計在0. 1%-0. 5%之間，能獲得和W相輔相成的效果。ODS合金熔化焊用焊絲中，各個成分的相對比重(質量分數)應如下
Cr 10% 25% ；Si 1% 5% ；Ti :0. 5% 4% ；C 0. 1% 0. 3% ；Y203 2% 10% ；ff 0. 5% 3% ；Mn 0. 2 % 1% ；Ta :0. 1% 0. 5% ；V :0. 1% 0. 5% ；La2O3 1% 5% ;其余 Fe ;其中Cr、Si、Ti為主添加元素。上述化學成分配比優選含Cr 20% ；Si 2% ；Ti 1% ；Y2O3 4% ；C 0. 25% ；Mn :0. 45% ；ff :1. 5% ；Ta :0. 15% ；V :0. 15% ；La2O3 :4% ;余量 Fe。本發明具有以下優點
I)該填充材料具有良好的焊接工藝性，可采用Ar、He等氣體保護熔化焊方法進行焊接，原位生成的新型增強顆粒細小、分布均勻，使得焊逢金屬力學性能高，而且還具有成型美觀、飛濺小，和實現全位置焊接等優點。2)該焊絲充分利用了我國富有的稀土金屬，立足于國內，原料供應充足；因此，成本低廉，能得到良好的社會經濟效益。


圖I母材熔化焊的焊縫微觀組織 圖2母材熔化焊的焊縫XRD分析 圖3對比實施例I的焊縫微觀組織 圖4對比實施例2的焊縫微觀組織 圖5具體實施例I的焊縫微觀組織圖；圖6具體實施例I的焊縫XRD分析 圖7具體實施例I的焊縫微觀組織 圖8具體實施例2的焊縫微觀組織圖。
具體實施例方式采用本發明作為ODS合金熔化焊焊接的填充材料，可以有效抑制焊接過程中的有害界面反應，獲得成形良好的焊縫，提高焊縫組織的力學性能。為了獲得這些特性，本發明把能夠提高ODS合金的焊接性的上述元素按配比制成焊接填充材料，針對ODS合金的熔化焊焊接中存在的諸多問題，需要添加具有相應抑制作用的不同元素，不僅需要調整好填充材料的組成成分，還要控制好各成分之間的比例。下面對比本發明范圍的發明示例進行說明?！?br> 對比實施例I
焊接前將母材試板表面用砂紙打磨出金屬光澤，并用丙酮清洗，采用純度為99. 9%的氬氣作為保護氣，氣體流量為8L/min，采用直流正接，焊接電流70A，焊接速度1.8 mm/s,選用含 Cr 20% ；Si 2% ；Ti 1% ； Y2O3 0% ；C :0. 25% ；Mn :0% ；ff :0% ；Ta :0% ；V :0% ;余量 Fe 的焊絲，在型號為MW3000逆變全數字化鎢極氬弧焊機上對其進行對焊，焊后沿焊縫橫截面制取金相及拉伸試樣，利用SEM，EDS及XRD等技術手段進行分析，結果表明焊接接頭處形成了 TiC、TiN, Al3Ti等增強顆粒，顆粒的尺寸在Iu m以上，顆粒分布均勻但無規則外形，基體中的原增強顆粒仍然存在較明顯的團聚燒損問題(圖3)，焊接接頭的平均拉伸強度為483MPa，由此可見，在未加入Mn、W、Ta、V以及稀土氧化物Y2O3等微量合金元素時，焊接接頭強度較低。對比實施例2
焊接前將母材試板表面用砂紙打磨出金屬光澤，并用丙酮清洗，采用純度為99. 9%的氬氣作為保護氣，氣體流量為8L/min，采用直流正接，焊接電流70A，焊接速度I. 8 mm/s，選用含 Cr 為 20% ；Si 為 2% ；Ti 為 1% ；Y203 為 2% ;含 C 為 0. 1% ；Mn :0. 20% ；ff :0. 5% ；Ta :0. 1% ；V 0. 1% ；La2O3 1% ;余量為Fe的焊絲，在型號為MW3000逆變全數字化鎢極氬弧焊機上對其進行對焊，焊后沿焊縫橫截面制取金相及拉伸試樣，利用SEM，EDS及XRD等進行分析，結果表明焊接接頭處形成了 SiO2, TiN, TaN, Ti 02、A1203、Al3Ti、A1Y03、CrO3 和 ReMO3 等增強顆粒，顆粒的尺寸在Iu m以下，顆粒分布均勻(圖4)，焊接接頭的平均拉伸強度為530MPa，由此可見，加入少量(取下限值時)Mn、W、Ta、V以及稀土氧化物Y2O3等合金元素時，焊接接頭強度有所提高，但仍然較低。具體實施例I
焊接前將母材試板表面用砂紙打磨出金屬光澤，并用丙酮清洗，采用純度為99. 9%的氬氣作為保護氣，氣體流量為8L/min，采用直流正接，焊接電流70A，焊接速度1.8 mm/s,選用含有 Cr 20% ；Si 2% ；Ti 1% ； Y2O3 4% ；C :0. 25% ；Mn :0. 45% ；ff :1. 5% ；Ta :0. 15% ；V
0.15% ；La2O3 4% ;余量Fe的焊絲，在型號為MW3000逆變全數字化鎢極氬弧焊機上對其進行對焊，焊后沿焊縫橫截面制取金相及拉伸試樣，利用SEM，EDS及XRD等技術手段進行分析，綜合圖 5，圖 6 可以看出焊接接頭處形成了 Si02、TiC、TiN、Ti02、Al203、Al3Ti、YA103、Cr03、TaC、TaN、WC、VC和ReMO3等增強顆粒，顆粒的尺寸在I U m以下，顆粒分布均勻并有規則的外形(圖7)，焊接接頭的平均拉伸強度達到652MPa，由此可見，加入適量Mn、W、Ta、V以及稀土氧化物Y2O3等合金元素時，焊接接頭強度能得到有效提高。具體實施例2
焊接前將母材試板表面用砂紙打磨出金屬光澤，并用丙酮清洗，采用純度為99. 9%的氬氣作為保護氣，氣體流量為8L/min，采用直流正接，焊接電流70A，焊接速度I. 8 mm/s，選用含 Cr 為 20%, Si 為 2%, Ti 為 1%，Y2O3 為 8%,含 C 為 0. 25%, Mn 1% ；ff 3% ；Ta :0. 5% ；V :0.5% ；La2O3 5% ;余量為Fe的焊絲，在型號為麗3000逆變全數字化鎢極氬弧焊機上對其進行對焊，焊后沿焊縫橫截面制取金相及拉伸試樣，利用SEM，EDS及XRD等技術手段進行分析，結果表明焊接接頭處形成了 Si02、TiC、TiN、Ti 02、Al203、Al3Ti、AlY03、Cr03、TaC、TaN、WC、VC和ReMO3等增強顆粒，顆粒的尺寸在I ii m左右，顆粒分布均勻無規則外形，基體中的原增強顆粒聚集燒損問題得到明顯的改善(圖8)，焊接接頭的平均拉伸強度為604MPa。具體實施例3
焊接前將母材試板表面用砂紙打磨出金屬光澤，并用丙酮清洗，采用純度為99. 9%的氬氣作為保護氣，氣體流量為8L/min，采用直流正接，焊接電流70A，焊接速度1.8 mm/s,選用含有 Cr 20% ；Si 3% ；Ti 2% ； Y2O3 4% ；C :0. 25% ；Mn :0. 55% ；ff :2. 0% ；Ta :0. 25% ；V
0.25% ；La2O3 4% ;余量Fe的焊絲，在型號為MW3000逆變全數字化鎢極氬弧焊機上對其進行對焊，焊后沿焊縫橫截面制取金相及拉伸試樣，利用SEM，EDS及XRD等技術手段進行分析，綜合圖 5，圖 6 可以看出焊接接頭處形成了 Si02、TiC、TiN、Ti02、Al203、Al3Ti、YA103、Cr03、TaC、TaN、WC、VC和ReMO3等增強顆粒，顆粒的尺寸在I U m以下，顆粒分布均勻并有規則的外形，焊接接頭的平均拉伸強度達到611MPa。具體實施例4
焊接前將母材試板表面用砂紙打磨出金屬光澤，并用丙酮清洗，采用純度為99. 9%的氬氣作為保護氣，氣體流量為8L/min，采用直流正接，焊接電流70A，焊接速度1.8 mm/s,選用含有 Cr 20% ；Si 3% ；Ti 3% ； Y2O3 5% ；C :0. 25% ；Mn :0. 6% ；ff :2. 5% ；Ta :0. 45% ；V
0.45% ；La2O3 5% ;余量Fe的焊絲，在型號為MW3000逆變全數字化鎢極氬弧焊機上對其進行對焊。焊后沿焊縫橫截面制取金相及拉伸試樣，利用SEM，EDS及XRD等技術手段進行分析。綜合圖 5，圖 6 可以看出焊接接頭處形成了 Si02、TiC、TiN、Ti02、Al203、Al3Ti、YA103、Cr03、TaC、TaN、WC、VC和ReMO3等增強顆粒，顆粒的尺寸在I U m以下，顆粒分布均勻并有規則的外形，焊接接頭的平均拉伸強度達到623MPa。
權利要求
1.一種用于ODS合金熔化焊的焊絲，其特征在于所述焊絲的成分以質量分數計算為Cr 10% 25% ；Si 1% 5% ；Ti :0. 5% 4% ；C O. 1% O. 3% ；Y203 2% 10% ；ff :0. 5% .3% ；Mn 0. 2 % 1% ；Ta :0. 1% O. 5% ；V :0. 1% O. 5% ；La2O3 1% 5% ;其余 Fe ;其中 Cr、Si、Ti為主添加元素。
2.如權利要求I所述的一種用于ODS合金熔化焊的焊絲，其特征在于所述焊絲的成分以質量分數計算為Cr :20% ；Si 2% ；Ti :1% ； Y2O3 :4% ；C :0. 25% ；Mn :0. 45% ；ff :1. 5% ；Ta .0. 15% ；V 0. 15% ；La2O3 :4% ;余量 Fe。
全文摘要
本發明涉及新型材料焊接領域，主要用于ODS合金的熔化焊接，針對ODS合金熔化焊焊縫中出現原增強相顆粒燒損、團聚、新生增強相分布不均勻等降低焊接接頭力學性能的問題，利用原位合金化焊接方法，通過向焊接熔池中加入本發明的焊絲，原位生成更加穩定的新顆粒相，從而提高焊接接頭強度等力學性能。所述焊絲的成分以質量分數計算為Cr10%～25%；Si1%～5%；Ti0.5%～4%；C0.1%～0.3%；Y2O32%～10%；W0.5%～3%；Mn0.2%～1%；Ta0.1%～0.5%；V0.1%～0.5%；La2O31%～5%；其余Fe；其中Cr、Si、Ti為主添加元素。
文檔編號B23K35/34GK102814599SQ201210285800
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月13日 優先權日2012年8月13日
發明者雷玉成, 李猛剛, 朱強, 趙凱, 郭偉剛 申請人:江蘇大學