专利名称：一种用于ods合金熔化焊的焊丝的制作方法
技术领域：
本发明涉及新型材料焊接领域，主要用于ODS合金的熔化焊接，针对ODS合金熔化焊焊缝中出现原增强相颗粒烧损、团聚、新生增强相分布不均匀等降低焊接接头力学性能的问题，利用原位合金化焊接方法，通过向焊接熔池中加入本发明的焊丝，原位生成更加稳定的新颗粒相，从而提高焊接接头强度等力学性能。
背景技术：
ODS合金为采用机械合金化方法制备，并经过轧制加工的氧化物弥散强化(Oxidedispersion strengthened, ODS )的合金板材；0DS合金具有高温力学性能好、高温抗氧化和抗腐蚀性能好等综合性能优异的特点，因此在航空发动机热端零部件的选材方面有突出的优势；目前，该材料已经在一些发达国家的航空、航天以及能源等领域得到应用。比如应·用于航空发动机高效冷却结构——多空层板结构，其化学成分如表I所示
表I ODS合金化学成分(质量分数，%)
'~元素..; C^" IT~ ~~ Fe^-*
................ 19.64 - 5.06-■ 0.52.- 0.40^ H22-+ 0.020.” 0.00 0 < BaT~
ODS合金不处于冶金平衡状态，用熔化焊方法进行焊接比较困难，这是因为熔焊时的熔化过程破坏了 ODS合金不平衡的冶金状态，使原来加入金属基体的一些熔点高、密度又较金属轻的氧化物质点与液体金属发生分离，并聚集成渣，残留在焊缝中或上浮集中到焊缝表面，这就破坏了材料原先的组成和性能，特别是抗拉强度等力学性能。以下是采用ODS合金材料本身作为填充材料时，焊接接头的组织和拉伸情况
对I. 3mm厚的ODS合金进行TIG焊，焊接前对母材试件表面进行严格清理，采用直流正接，焊接电流70A，焊接速度I. 8 mm/s，采用纯度为99. 9%的氩气作为保护气，气体流量为8L /min，在型号为MW3000逆变全数字化钨极氩弧焊机上对ODS合金进行对焊；焊后沿焊缝横截面制取金相及拉伸试样，利用SEM及EDS进行分析，综合分析图I、图2，在扫描电镜下焊缝表面存在一些圆形的孔洞，在一些孔洞内看到有球状颗粒物存在，用XRD对孔洞内球状颗粒物成分分析得知，这些颗粒物应为粗化了的弥散强化相Y-Al复合氧化物，这是由于熔焊过程超过1500°C的高温不可避免地导致钢的基体中原有弥散分布的超细的氧化物颗粒(Y2O3)发生烧损团聚，生成直径在Ium以上的Al5Y3O12颗粒，粗化了的Y-Al复合氧化物颗粒失去了对焊缝的强化作用，严重降低了 ODS合金的抗拉强度，焊接接头的拉伸强度仅为380MPa。针对ODS合金熔化焊焊缝中出现增强相颗粒烧损、增强相分布不均匀等问题，采用原位合金化焊接方法，通过向焊接熔池中加入微量合金元素Ti、Si、C、W、Mn、Ta、V等，原位生成更加稳定的新颗粒相；并且通过向焊接熔池中加入微量稀土元素，在细化晶粒、净化焊缝的同时，可以生成AlYO3和ReMO3等增强颗粒，从而提高抗拉强度，焊缝原位合金化焊接ODS合金需要一种焊接填充材料，因此发明一种焊接填充材料是实现ODS合金熔化焊的关键。
经对现有技术的文献检索发现，目前国内外尚未出现相关的专利申请。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于ODS合金的熔化焊接的填充材料，以有效抑制原增强相颗粒烧损、团聚等问题，获得成形良好的焊缝，提高焊接接头组织的力学性能。为达到上述目的，本发明采用的方法是以母材基体化学成分为基础，添加Si、Ti、W、V、Ta、Re等合金元素，通过变换相关元素或化合物的含量进行焊接；其中Y2O3和La2O3的加入可以细化晶粒并形成新的颗粒增强相从而对焊缝金属具有增强作用，经过试验对比确定其成分设计为(质量分数)2% 10% ；Si的加入可以改善焊接过程中熔池的流动性，生成SiO2颗粒既对基体起到了增强作用又降低了熔池中的含氧量，经过试验对比确定其成分设计为(质量分数)1% 5%;填加适量的Ti (0.5% 4%)，是为了形成大量弥散碳化物TiC，控制晶粒生长，细化晶粒，提高材料强度和韧性；C的加入一方面可以通过分压作用减少气孔的产生，另一方面可以和其他元素反应形成TiC、TaC等增强相颗粒；结合前面已做实验结果，W的成分(质量分数)设计为0. 5% 3%，目的是保持所需的足够常温及高温强 度；考虑到Cr的含量对低温冲击韧性值的影响，对Cr的含量做出调整将Cr的成分设计为(质量分数)10% 25% ;填加适量的Ta (0. 1% 0. 5%)，是为了形成大量弥散碳化物，控制晶粒生长，细化晶粒，提高材料强度和韧性，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，另一方面这些第二相阻碍了位错的滑移运动，从而增大了塑性变形的抗力；添加Mn (质量分数)设计为0.2 % 1%，主要目的是提高焊接接头的强度；需要加入适量的V，(质量分数)设计在0. 1%-0. 5%之间，能获得和W相辅相成的效果。ODS合金熔化焊用焊丝中，各个成分的相对比重(质量分数)应如下
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为主添加元素。上述化学成分配比优选含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。本发明具有以下优点
I)该填充材料具有良好的焊接工艺性，可采用Ar、He等气体保护熔化焊方法进行焊接，原位生成的新型增强颗粒细小、分布均匀，使得焊逢金属力学性能高，而且还具有成型美观、飞溅小，和实现全位置焊接等优点。2)该焊丝充分利用了我国富有的稀土金属，立足于国内，原料供应充足；因此，成本低廉，能得到良好的社会经济效益。
图I母材熔化焊的焊缝微观组织 图2母材熔化焊的焊缝XRD分析 图3对比实施例I的焊缝微观组织 图4对比实施例2的焊缝微观组织 图5具体实施例I的焊缝微观组织图；图6具体实施例I的焊缝XRD分析 图7具体实施例I的焊缝微观组织 图8具体实施例2的焊缝微观组织图。
具体实施例方式采用本发明作为ODS合金熔化焊焊接的填充材料，可以有效抑制焊接过程中的有害界面反应，获得成形良好的焊缝，提高焊缝组织的力学性能。为了获得这些特性，本发明把能够提高ODS合金的焊接性的上述元素按配比制成焊接填充材料，针对ODS合金的熔化焊焊接中存在的诸多问题，需要添加具有相应抑制作用的不同元素，不仅需要调整好填充材料的组成成分，还要控制好各成分之间的比例。下面对比本发明范围的发明示例进行说明。·
对比实施例I
焊接前将母材试板表面用砂纸打磨出金属光泽，并用丙酮清洗，采用纯度为99. 9%的氩气作为保护气，气体流量为8L/min，采用直流正接，焊接电流70A，焊接速度1.8 mm/s,选用含 Cr 20% ；Si 2% ；Ti 1% ； Y2O3 0% ；C :0. 25% ；Mn :0% ；ff :0% ；Ta :0% ；V :0% ;余量 Fe 的焊丝，在型号为MW3000逆变全数字化钨极氩弧焊机上对其进行对焊，焊后沿焊缝横截面制取金相及拉伸试样，利用SEM，EDS及XRD等技术手段进行分析，结果表明焊接接头处形成了 TiC、TiN, Al3Ti等增强颗粒，颗粒的尺寸在Iu m以上，颗粒分布均匀但无规则外形，基体中的原增强颗粒仍然存在较明显的团聚烧损问题(图3)，焊接接头的平均拉伸强度为483MPa，由此可见，在未加入Mn、W、Ta、V以及稀土氧化物Y2O3等微量合金元素时，焊接接头强度较低。对比实施例2
焊接前将母材试板表面用砂纸打磨出金属光泽，并用丙酮清洗，采用纯度为99. 9%的氩气作为保护气，气体流量为8L/min，采用直流正接，焊接电流70A，焊接速度I. 8 mm/s，选用含 Cr 为 20% ；Si 为 2% ；Ti 为 1% ；Y203 为 2% ;含 C 为 0. 1% ；Mn :0. 20% ；ff :0. 5% ；Ta :0. 1% ；V 0. 1% ；La2O3 1% ;余量为Fe的焊丝，在型号为MW3000逆变全数字化钨极氩弧焊机上对其进行对焊，焊后沿焊缝横截面制取金相及拉伸试样，利用SEM，EDS及XRD等进行分析，结果表明焊接接头处形成了 SiO2, TiN, TaN, Ti 02、A1203、Al3Ti、A1Y03、CrO3 和 ReMO3 等增强颗粒，颗粒的尺寸在Iu m以下，颗粒分布均匀(图4)，焊接接头的平均拉伸强度为530MPa，由此可见，加入少量(取下限值时)Mn、W、Ta、V以及稀土氧化物Y2O3等合金元素时，焊接接头强度有所提高，但仍然较低。具体实施例I
焊接前将母材试板表面用砂纸打磨出金属光泽，并用丙酮清洗，采用纯度为99. 9%的氩气作为保护气，气体流量为8L/min，采用直流正接，焊接电流70A，焊接速度1.8 mm/s,选用含有 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的焊丝，在型号为MW3000逆变全数字化钨极氩弧焊机上对其进行对焊，焊后沿焊缝横截面制取金相及拉伸试样，利用SEM，EDS及XRD等技术手段进行分析，综合图 5，图 6 可以看出焊接接头处形成了 Si02、TiC、TiN、Ti02、Al203、Al3Ti、YA103、Cr03、TaC、TaN、WC、VC和ReMO3等增强颗粒，颗粒的尺寸在I U m以下，颗粒分布均匀并有规则的外形(图7)，焊接接头的平均拉伸强度达到652MPa，由此可见，加入适量Mn、W、Ta、V以及稀土氧化物Y2O3等合金元素时，焊接接头强度能得到有效提高。具体实施例2
焊接前将母材试板表面用砂纸打磨出金属光泽，并用丙酮清洗，采用纯度为99. 9%的氩气作为保护气，气体流量为8L/min，采用直流正接，焊接电流70A，焊接速度I. 8 mm/s，选用含 Cr 为 20%, Si 为 2%, Ti 为 1%，Y2O3 为 8%,含 C 为 0. 25%, Mn 1% ；ff 3% ；Ta :0. 5% ；V :0.5% ；La2O3 5% ;余量为Fe的焊丝，在型号为丽3000逆变全数字化钨极氩弧焊机上对其进行对焊，焊后沿焊缝横截面制取金相及拉伸试样，利用SEM，EDS及XRD等技术手段进行分析，结果表明焊接接头处形成了 Si02、TiC、TiN、Ti 02、Al203、Al3Ti、AlY03、Cr03、TaC、TaN、WC、VC和ReMO3等增强颗粒，颗粒的尺寸在I ii m左右，颗粒分布均匀无规则外形，基体中的原增强颗粒聚集烧损问题得到明显的改善(图8)，焊接接头的平均拉伸强度为604MPa。具体实施例3
焊接前将母材试板表面用砂纸打磨出金属光泽，并用丙酮清洗，采用纯度为99. 9%的氩气作为保护气，气体流量为8L/min，采用直流正接，焊接电流70A，焊接速度1.8 mm/s,选用含有 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的焊丝，在型号为MW3000逆变全数字化钨极氩弧焊机上对其进行对焊，焊后沿焊缝横截面制取金相及拉伸试样，利用SEM，EDS及XRD等技术手段进行分析，综合图 5，图 6 可以看出焊接接头处形成了 Si02、TiC、TiN、Ti02、Al203、Al3Ti、YA103、Cr03、TaC、TaN、WC、VC和ReMO3等增强颗粒，颗粒的尺寸在I U m以下，颗粒分布均匀并有规则的外形，焊接接头的平均拉伸强度达到611MPa。具体实施例4
焊接前将母材试板表面用砂纸打磨出金属光泽，并用丙酮清洗，采用纯度为99. 9%的氩气作为保护气，气体流量为8L/min，采用直流正接，焊接电流70A，焊接速度1.8 mm/s,选用含有 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的焊丝，在型号为MW3000逆变全数字化钨极氩弧焊机上对其进行对焊。焊后沿焊缝横截面制取金相及拉伸试样，利用SEM，EDS及XRD等技术手段进行分析。综合图 5，图 6 可以看出焊接接头处形成了 Si02、TiC、TiN、Ti02、Al203、Al3Ti、YA103、Cr03、TaC、TaN、WC、VC和ReMO3等增强颗粒，颗粒的尺寸在I U m以下，颗粒分布均匀并有规则的外形，焊接接头的平均拉伸强度达到623MPa。
权利要求
1.一种用于ODS合金熔化焊的焊丝，其特征在于所述焊丝的成分以质量分数计算为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为主添加元素。
2.如权利要求I所述的一种用于ODS合金熔化焊的焊丝，其特征在于所述焊丝的成分以质量分数计算为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
本发明涉及新型材料焊接领域，主要用于ODS合金的熔化焊接，针对ODS合金熔化焊焊缝中出现原增强相颗粒烧损、团聚、新生增强相分布不均匀等降低焊接接头力学性能的问题，利用原位合金化焊接方法，通过向焊接熔池中加入本发明的焊丝，原位生成更加稳定的新颗粒相，从而提高焊接接头强度等力学性能。所述焊丝的成分以质量分数计算为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为主添加元素。
文档编号B23K35/34GK102814599SQ201210285800
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月13日 优先权日2012年8月13日
发明者雷玉成, 李猛刚, 朱强, 赵凯, 郭伟刚 申请人:江苏大学