[发明专利]一种共晶高熵焊接材料及其制备方法和焊接钛/钢复合板的方法

说明书

本发明属于焊接技术领域。本发明提供了一种共晶高熵焊接材料及其制备方法和焊接钛/钢复合板的方法。本发明的共晶高熵焊接材料，由包含以下原子百分比的原料制备得到：Fe10～15％；Co20～30％；Ni20～30％；Cu20～30％；Ti10～15％。将金属单质粉末球磨得到共晶高熵焊接材料。本发明采用激光热源+同轴送粉的焊接方式，利用共晶高熵焊接材料对钛/钢复合板进行焊接。钛、钢母材的Ti、Fe元素进入焊缝熔池，并与焊接材料发生共晶反应，使焊缝原位形成共晶或近共晶高熵合金结构，获得多主元共晶高熵化焊缝，提高钛/钢复合板焊接接头的强韧性，改善焊缝成型的状态，实现钛/钢复合板的高质量焊接。

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种共晶高熵焊接材料及其制备方法和焊接钛/钢复合板的方法。

背景技术

钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐海水腐蚀等优点，是海洋防腐的理想材料，但成本较高。钛/钢复合板是以钢为基层、钛为覆层的双金属层状复合材料，它既有钛的耐蚀性，又有钢的强度和塑性，同时降低了成本。钛/钢复合板在许多领域具有广泛的应用前景。但由于钢与钛的物理冶金性能差异大，Fe与Ti极易反应生成脆性Fe-Ti金属间化合物，降低了钛/钢复合板焊接接头的强韧性，限制了钛/钢复合板在关键部件中的应用。

针对钛/钢复合板熔焊产生的金属间化合物问题，目前采取的方法主要有两种。钛-钢无接触焊接法：利用分层焊接把钛/钢异种金属焊接转换成钛、钢同种材料焊接。但为避免钢熔化污染钛焊缝，钛层焊缝不能触及钢表面，因此在临近钛/钢界面处存在未焊透的缺陷，限制了其在重要场合中的应用。多种填充材料逐层焊接法：在钛、钢焊缝之间增加过渡层，采用多种焊缝填充材料对钛/钢复合板进行多层多道焊接。如采用Cu、Nb、V、Mo等元素作为过渡层填充材料，但焊缝在不同填充材料界面处仍易生成Fe-Ti、Cu-Ti、Fe-Mo等金属间化合物，钛/钢复合板焊缝成型及接头的力学性能并不理想。

由五种及以上主元形成的高熵合金，通过高混合熵彻底改变合金体系的热力学环境，可促使合金形成无序固溶体，具有优异的力学性能。共晶高熵合金由高塑性相(主要为FCC固溶体)与高强度相(Laves相)通过共晶生成软硬相交替排列的微观结构，具有优异的强度与韧性，特别适用于焊缝金属结构，进而提高焊接接头的强韧性能。目前，已有学者尝试把共晶高熵合金应用于焊接领域。比如，专利CN115106675A公开了一种高熵钎料、其制备方法及其在钎焊中的应用，将Nb、Fe、Cr、Co和Ni的金属单质颗粒熔炼得到高熵合金钎料，将其装配在待焊接表面完成焊接；专利CN113814604A公开了一种用于钛及钛合金与不锈钢钎焊的共晶高熵合金钎料及其制备方法，将Al、Co、Cr、Cu和Ni的纯金属颗粒制备共晶高熵合金，再将共晶高熵合金制备成合金钎料箔带；专利CN114888422A公开了异质金属添加双相高熵合金中间层的扩散焊方法，将Al、Co、Cr、Cu、Ni和V的块状金属制备高熵合金中间层箔材，将高熵合金中间层箔材置于母材之间进行焊接。虽然上述高熵合金或共晶高熵合金钎料能够提高接头的强度和韧性，但是在制备时需考虑钎料的熔点及与母材的润湿性，在焊接前需要制成箔带或箔材，且仅适用于钎焊连接，使得钎料应用受到限制。另外，专利CN115008065A公开了用于钛-钢焊缝高熵化的药芯焊丝及其制备方法，将铁粉、钛粉、铌粉和钼粉作为药芯，Ni-Cr-Co系镍基合金带作为外皮制备药芯焊丝，实现了焊缝的高熵化，焊缝处综合机械性能良好；专利CN107999991A公开了用于钛-钢MIG焊接的高熵药芯焊丝及其制备方法，将Fe、Ti、Co、Cr、Ni和Cu作为药芯，工业用高纯铜带作为外皮材料制备高熵药芯焊丝。现有的高熵合金焊丝和药芯焊丝，在焊接前需提前制备高熵合金焊接材料，增加了高熵合金焊接材料的制作工序及生产成本，成分不宜调控。并且没有考虑该高熵合金在焊接过程中，母材熔化会改变焊缝的金属成分，进而使焊缝无法形成具有优异性能的高熵或共晶高熵合金结构的问题。

因此，提供一种共晶高熵焊接材料，在焊接前无需制备高熵合金焊接材料，在提高钛/钢复合板焊接接头强韧性的同时，保证焊缝成型状态，实现钛/钢复合板的高质量焊接，具有重要的工业价值。

发明内容