[发明专利]纳米粒子复合焊接填充材料、及其生产方法

说明书

描述了一种通用方法以生产具有增强的晶粒细化的焊接填充材料，用于制备具有抗热裂性的焊接物体。一些变型提供一种包含官能化含金属的粉末的焊接填充材料，其中所述官能化含金属的粉末包含金属或金属合金粒子和设置在所述金属或金属合金粒子表面上的多个纳米粒子，并且其中所述纳米粒子遍及所述焊接填充材料以三维构造固结。焊接物体含有焊接填充材料，所述焊接填充材料包含含官能化金属的粉末，使得所述焊接物体能够没有热裂纹。其他变型提供了制备焊接填充材料的方法。作为一个非限制性实例，通过将基于锆的纳米粒子晶粒细化剂掺入用于焊接铝合金Al 7075的焊接前体材料中，已成功地证明了该方法。

优先权数据

本国际专利申请要求2017年2月1日提交的美国临时专利申请号62/452,988和2018年1月25日提交的美国专利申请号15/880,452的优先权，这些专利中的每一个特此通过引用并入本文。

技术领域

本发明整体涉及焊条或其他焊接材料，以及它们的制造和使用方法。

背景技术

焊接是一种通过引起熔合来连接材料(通常是金属或热塑性塑料)的制造工艺。典型地，将基体金属熔化并将填充材料添加到接头中以形成熔融材料池(熔池)，其冷却以形成接头。压力也可以与热结合使用，或者单独使用，以产生焊缝。

一些已知的焊接方法包括氧乙炔焊接；屏蔽金属电弧焊接(也称为焊条焊接或电焊)，其使用缓慢熔化的电极；钨、惰性气体(TIG)焊接，其使用非自耗钨电极来产生焊缝；金属、惰性气体(MIG)焊接，其使用送丝枪，该送丝枪以可调速度送丝，并在焊接熔池上流动惰性气体以防止大气污染；埋弧焊，其使用自耗电极和颗粒状可熔焊剂覆盖层(焊剂屏蔽焊缝从而不受大气影响)；电渣焊，一种用于垂直位置中较厚材料的单道焊接工艺；电阻焊，一种其中通过材料的电阻产生热量以形成焊缝的焊接工艺；激光焊接，一种用于通过使用激光连接多块金属的焊接技术；以及电子束焊接，一种其中一束高速电子被施加到两个有待连接的材料的熔焊工艺。

还存在固态焊接工艺，如摩擦焊接，其中金属不熔化。摩擦搅拌焊接是一种固态连接工艺，其使用非自耗工具来连接两个面对件而不熔化材料。通过旋转工具与材料之间的摩擦产生热量，这导致焊接工具附近的软化区域。当工具沿着连接线移动时，工具机械地混合两块金属并通过机械压力锻造热的和软化的金属。

除焊接外，还存在其他连接技术和成形工艺。焊接不同于低温金属连接技术，如钎焊和软焊，其不熔化基体金属。

焊接和连接是极其重要的工程实践，其为各种应用提供低成本、快速组装几何形状复杂的部件。然而，由于热裂敏感性，许多高性能合金的可焊性或可连接性受到限制。热裂是指在焊缝金属固化过程中形成收缩裂缝。热裂纹在最终连接结构内产生强度限制缺陷。在不消除热裂的情况下，合金将不能充分实现其用于工程应用的低成本、高强度选择的潜力。强烈希望消除焊接合金的最终微观结构中的热裂纹和其他缺陷。

焊缝金属的晶粒结构可以显著影响所得焊缝的特性。晶粒细化可以减少焊接过程中经历的热裂。原因在于细小的等轴晶粒倾向于减少热裂并改善焊缝金属的机械特性，如韧性、延展性、强度、和疲劳寿命。虽然对于焊缝中的孔隙率和内含物存在可接受的限制，但裂缝几乎是不可接受的。

现有技术建议使用比有待焊接的目标物体更可焊接的各种不同合金-然而，这是以材料性能为代价的。由于不能使用高性能材料作为焊缝原料材料，与目标焊接结构相比，焊接材料性能经常遭受差的强度特征。先前的方法已将纳米粒子结合到搅拌铸造中，但不希望在前体材料内没有均匀分布的增强纳米粒子。

现代焊接技术包括其中通过填充材料(通常是金属合金)的熔化和固化来促进冶金结合的形成的过程。当金属合金经受快速加热、熔化、和熔融金属循环时，某些合金系统的后续固化可能由于枝晶间收缩而导致裂纹形成。在焊接技术(如激光束焊接和电弧焊接)中，高冷却速率加剧了固化收缩和热张力，这使得焊接接头处于大的应力载荷下，最终阻止产生无缺陷的焊接物体。目前的技术遵循由热梯度驱动的固化路径。结果，焊接接头的最终微观结构是柱状的，这导致各向异性特性。