一种耐腐蚀性强的钛合金焊接用低成本钛合金焊丝的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种耐腐蚀性强的α型钛合金焊接用低成本钛合金焊丝。该钛合金焊丝主要包含有Ni、Co、Cr、Pd、Ru五种合金元素。其特点是使用该焊丝得到的焊缝耐蚀性强，耐热性与可焊性好，特别是在热氧化氯盐水、还原酸性介质及缝隙腐蚀等环境下抗腐蚀性能优良，工件使用寿命明显优于其他材料。本发明在给出的成份范围内，针对化工行业及海洋平台的不同要求分别给出了两种不同的最佳焊丝成份。该焊丝实现工艺简单，成材率高，合金元素量少，可焊性好、得到的焊缝使用寿命长，所以综合成本较低。该产品在石化和海洋平台的应用前景广阔，可取得可观的社会和经济效益。
【专利说明】【技术领域】
[〇〇〇1] 本发明属于钛基合金【技术领域】，特别涉及一种适用于高腐蚀环境的α型钛合金 焊接用低成本钛合金焊丝。 一种耐腐蚀性强的钛合金焊接用低成本钛合金焊丝 【背景技术】
[0002] 我国沿海地区淡水需求量的日益增大，我国海洋资源配合利用呼声升高，以多级 闪蒸为龙头的大型蒸馏海水淡化装置（包括MSF、ME、VC)的开发生产必将成为我国的一项 新兴产业。加之我国具有漫长的海岸和丰富廉价的海水资源，向大海要效益是今后一段时 期内我国的一个新的经济增长点，钛及钛合金在海水淡化中的应用市场前景广阔。
[0003] 在海水淡化生产方法中，应用最多的是多级闪蒸法，该方法的设备主要由海水加 热、热回收部冷凝器、热输出部冷凝器、通风凝结器和喷射压气机等部分构成，热交换部位 使用了大量的传热管，原用铜合金管，由于铜合金不耐腐蚀，目前已被钛管所代替。钛主要 应用于海水淡化设备中的导热管。随着中东与亚洲电力及海水淡化市场的开拓，薄壁钛焊 管的需求量也将逐渐增加，相应的钛合金焊材也随之增加，但目前的耐腐蚀类钛合金焊材 焊接后得到的焊缝在高温腐蚀介质中发生间隙腐蚀机率很高，要解决此问题，研发耐高温 耐腐蚀性良好的焊材是关键突破口。
[0004] 另外换热器、热交换器行业板片常用的材料主要也采用钛及钛合金材料，钛是海 水淡化设备换热器的首选材料，钛板制造的板式换热器有许多优点，在市场上有很强的竞 争力，主要用于化工、石油、舰船、海水淡化等热交换系统，对高耐腐蚀的钛基焊材需求也在 逐步增加。
[0005] 钛对大多数盐溶液来说，具有优异的耐蚀性。对热的亚氯酸钠和各种浓度的次氯 酸盐也有良好的稳定性；对大多数的碱溶液具有良好的耐蚀性，尤其是含有氯离子和氯化 物的碱溶液；在潮湿的氯气中及在饱和氯气的硫酸、盐酸和氯化物等介质中都很稳定；在 碳氢化合物中的耐蚀性也很好，因此钛基材料广泛用于真空制盐和漂粉精炼行业；氯碱行 业；硫酸法钛白粉化工生产设备；有机化工业等。在这些超强腐蚀环境下，焊缝金属及焊接 热影响区特别容易首先出现腐蚀，所以解决钛合金焊材在高腐蚀环境下的焊缝腐蚀是钛合 金材料在这些行业中进一步推广的重要因素之一。
[0006] 在这些高腐蚀环境下，普通的耐腐蚀钛基合金焊材通过焊接后得到的焊缝，经常 会出现耐腐蚀性能下降、缝隙腐蚀明显。在狭窄的缝隙内或闭塞区中，钛氧化膜自愈反应由 于氧耗尽，氧向缝内扩散受到阻抑及氯离子浓缩形成酸，在钛新鲜表面上腐蚀将急剧进行。 焊接后造成缝隙一方面是因为在钛及钛合金的焊接过程中，接头处的气孔是一种主要缺 陷。另一方面钛是一种活泼金属，在焊接过程的高温条件下，钛与氧、氮、氢反应速度较快， 且生成物不致密。钛在吸收氧、氢、氮后形成间隙固溶体化合物，使焊接接头塑性和韧性降 低，引起焊接点脆化。如果焊缝含氢量过多即吸氢量超过0.015%时，就会出现细片状或针 状析出物TiH 2，因为TiH2比容较a -Ti基体约大20%，容易产生很大的相变应力，导致TiH2 及TiH2/a -Ti界面上微裂纹的形成，从而给间隙腐蚀创造了条件，同时也使焊缝冲击性能 下降。焊接时由于熔池和低温区母材中的氢向热影响区扩散，引起热影响区氢含量增加，如 果这个部位处于不利的应力状态，就会引起微裂纹。虽然为了避免此类情况的发生会选择 使用一些常规的耐腐蚀钛合金焊材进行使用，这些普通的耐腐蚀焊材较一般的纯钛材料发 生缝隙腐蚀的可能性小很多。但一旦发生缝隙腐蚀，由于表面沉积的Pd与Ti 2Ni均为促进 阴极反应使析氢与渗氢加速，氢脆的促进作用使得腐蚀破坏的速度更快。所以在高温腐蚀 环境或强腐蚀环境下需要开发更加耐蚀的焊接材料来保证焊缝的质量。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于高温腐蚀环境及强腐蚀环境下的 钛合金焊接材料，采用这类焊接材料焊接α型钛合金得到的焊缝金属具有耐蚀性强，耐热 性好，特别是具有较好的抗缝隙腐蚀性能。
[0008] 本发明提供的钛合金焊丝的成分，按重量百分数计算为，Ni :0.25%?0.80%;C〇 : 0%?0· 35% ;Cr :0· 10%?0· 20% ;Pd :0%?0· 06% ;Ru :0· 02%?0· 06%，上述五种合金 元素重量百分数之和为0. 50%?1. 20%,余量为Ti和杂质元素，
[0009] 作为优选：钛合金焊丝的成分，按重量百分数计算为，Ni :0.25%?0.50% ;Co : 0· 15%?0· 35% ;Cr :0· 10%?0· 20% ;Pd :0· 01%?0· 06% ;Ru :0· 02%?0· 06% ;同时 满足Ni、Pd、Ru三元素重量百分比之和为Co、Cr两元素重量百分比之和的1. 0?1. 2倍， 余量为Ti和杂质元素，该成分的钛合金焊丝适用于海洋平台，如海洋石油钻井平台、海水 淡化装备等领域中；
[0010] 作为优选：钛合金焊丝的成分，按重量百分数计算为，Ni :0.40%?0.80% ;Cr : 0· 10%?0· 20% ;Pd :0· 0%?0· 06% ;Ru :0· 02%?0· 06% ;同时满足Ni元素重量百分比 为Pd、Ru两元素重量百分比之和的10?16倍，余量为Ti和杂质元素，该成分的钛合金焊 丝适用于有机化工业和化工装备，如PTA，PVA，真空制盐、氯碱行业等领域。
[0011] 上述成分的钛合金焊丝可加工成适合多种焊接要求和焊接工艺的TIG丝或MIG 丝，得到耐蚀性良好的焊接接头。
[0012] 该发明的创新点是通过优化耐腐蚀元素及耐热元素的配比，得到耐高温腐蚀性能 更好和抗缝隙腐蚀性能更好的焊缝金属。控制合金元素的总量和比例，一方面保证了产品 的成本优势，同时也兼顾了提高可焊性指标。
[0013] 常规耐腐蚀钛合金焊材采用一种元素或两种元素进行一重措施防缝隙腐蚀或熔 敷层下的腐蚀，而该发明焊材采用三重措施防缝隙腐蚀或熔敷层下的腐蚀，其一是通过充 分利用低价的防腐蚀元素镍，通过镍离子来改变缝隙和表面熔敷层下面材料的电化学性能 及Ti 2Ni沉淀来改善阴极过程达到纯化，从而提高抗缝隙腐蚀性能；其二是通过添加相对于 钯成本更低的钌元素，钌可以优先隔离镍相，使少量的钌与镍相发生协效作用，比起用钌本 身作为抗腐蚀成分，对焊材具有更有效的保护，充分提高了抗缝隙腐蚀或熔敷层下的腐蚀 的性能；其三是增加少量的钯元素以提高在高强的腐蚀条件下的耐蚀性能。
[0014] 为了保证高温下的耐腐蚀性能稳定，特别添加了适量的耐高温和稳定元素，包括 Cr和Co,其中适量的铬在不降低塑性的情况下可以提高改善焊缝的强度和淬透性，而少量 的Co可以提高焊缝的耐高温性能且具有一定的耐磨性能，加入一定量的Co可以得到低膨 胀系数的焊缝，避免焊缝金属由于热胀冷缩而增加缝隙腐蚀的机率。 【具体实施方式】
[0015] 本发明焊材制备工序为：配料混合一熔炼铸锭一开坯锻造一退火热轧一拉丝处理 -真空除氢一成品焊材
[0016] 配料混合：选取相关合金元素进行配比，Ni、Co、Cr以纯金属、Ru以化合物（Ru04)、 Pd以0海绵态加入原材料，原材料采用海绵钛，进行混料后得到的混合物，
[0017] 熔炼铸锭：将混合物放入真空（真空度为0. 8 X l(T2Pa)自耗电弧炉中熔炼3次，得 到合金铸锭，
[0018] 开坯锻造：铸锭在切除帽口、去缩孔、车表皮3?6mm后进行开坯锻造，在加热到 1300°C ±10°C的温度下进行锻造，保温后进行自由锻造得到Φ7.5πιπι棒材，自由锻造加热 温度960°C ±10°C，保温时间：50?60min，
[0019] 退火热乳：将上述棒材先进行退火处理，退火温度及保温时间分别： 860°C ±10°C、30?40min、空冷，然后在热扎机上进行i^一道连轧，得到Φ 5. 5mm盘条，
[0020] 拉丝处理：采用两次粗拉连拉和一次精拉连拉法，两次粗拉连拉分别是 Φ5. 5mm- Φ 3. 8mm, Φ 3. 8mm - Φ 2. 4mm, 一次精拉连拉为 Φ 2. 4mm - Φ 1.4mm，中间进行 退火处理750°C ± 10°C，20min，随炉冷却，若生产的是直条TIG焊丝，则两次粗拉连拉后，进 行切丝，再酸洗处理和烘干；若生产的是盘装MIG焊丝时，则需要精拉后在线酸洗和表面抛 光处理，
[0021] 真空除氢：对焊丝进行真空除氢处理，处理温度和保温时间分别为： 780°C ±10°C，180min，随炉冷却后得到成品焊材。
[0022] 下面列出六个实施例和三个对比例，其中实施例1、实施例2、实施例3是根据权利 要求2适用于海洋平台的三个实施例；实施例4、实施例5、实施例6是根据权利要求3适用 于有机化工和化工装备的三个实施例；对比例1是含钴钯微合金的钛合金耐腐蚀焊材；对 比例2是含镍钯钌微合金的钛合金耐腐蚀焊材；对比例3是含纯钛焊材；详细化学成分见 表1 :
[0023] 表 1
[0024]
【权利要求】
1. 一种耐腐蚀性强的α型钛合金焊接用低成本钛合金焊丝，其特征在于：所述的钛合 金焊丝的成分，按重量百分数计算为，附：0.25%?0.80%;(：〇 :0%?0.35%;0:0.10%? 0.20%^(1:0%?0.06%;1?11:0.02%?0.06%，上述五种合金元素重量百分数之和为 0. 50%?1. 20%，余量为Ti和杂质元素。
2. 如权利要求1所述的钛合金焊丝，其特征在于：所述的钛合金焊丝的成分，按重量百 分数计算为，Ni :0.25%?0.50%;C〇 :0· 15%?0.35%;Cr :0· 10%?0.20%;Pd:0.01%? 0. 06% ;Ru :0.02%?0.06% ;同时满足Ni、Pd、Ru三元素重量百分比之和为Co、Cr两元素 重量百分比之和的1. 〇?1. 2倍，余量为Ti和杂质元素。
3. 如权利要求1所述的钛合金焊丝，其特征在于：所述的钛合金焊丝的成分，按重量百 分数计算为，Ni :0· 40%?0· 80% ;Cr :0· 10%?0· 20% ;Pd :0· 0%?0· 06% ;Ru :0· 02%? 0. 06% ;同时满足Ni元素重量百分比为Pd、Ru两元素重量百分比之和的10?16倍，余量 为Ti和杂质元素。
4. 如权利要求1至3任一项所述的钛合金焊丝，其特征在于：所述的钛合金焊丝为TIG 丝或MIG丝。
【文档编号】B23K35/32GK104084712SQ201410318981
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】李振华, 周全法, 居晓峰 申请人:常州华通焊业股份有限公司