[发明专利]一种用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝

说明书

本发明涉及焊接材料技术领域，公开了一种用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝，焊丝的化学组分按重量百分比计，包括C:0.03~0.10%，Al:5.5~7.0%，V:3.5~4.5%，B:0.10~0.20%，O:0.03~0.12%，N≤0.012%，H≤0.005%，余量为Ti以及不可避免的杂质。本申请的钛合金焊丝，熔体抗拉强度达到900MPa以上，延伸率达到8%以上，强度各向异性指数≤2.5%，延伸率各向异性指数≤8.0%，满足TC4电弧熔丝增材制造及焊接要求。

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体地说，涉及用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝。

背景技术

钛合金由于其具有比强度大、耐腐蚀、耐高低温等优点，广泛应用于航空航天、舰船制造、石油化工、海洋工程及生物医学等领域。焊接作为材料连接的关键制造工艺，是钛合金结构制备技术研究的重点。近年来，随着增材制造技术的不断发展，钛合金增材制造的应用需求日益迫切，相比于粉末增材制造，电弧熔丝增材制造材料利用率高、无污染、成本低、更易于制造，受到越来越多的关注。TC4是高端装备最为常用的钛合金材料，其电弧增材制造技术及焊接技术成为研究热点。

电弧熔丝增材制造是采用焊接电弧作为热源将金属丝材熔化逐层沉积成型，其熔体冶金机理与焊接工艺相似，钛合金熔体在经历非线性的焊接热循环过程中，凝固的晶体生长速率高于成核速率，使熔体易于形成粗大的晶粒组织；对于复杂大尺寸结构件，其晶粒尺寸更是急剧增大，这会严重恶化结构件的机械性能如强度、塑韧性、耐疲劳性等；对于电弧熔丝增材制造还会带来结构件严重的各向异性。同时，焊接热过程还易出现焊接缺陷，这会降低结构件完整性及结构可靠性。

因此，需要开发一种微合金化细晶粒钛合金焊丝改善TC4钛合金焊接及电弧熔丝增材制造熔体微观结构、最小化缺陷，最终改善熔体整体机械性能。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝，熔体抗拉强度达到900MPa以上，延伸率达到8%以上，强度各向异性指数≤2.5%，延伸率各向异性指数≤8.0%，满足TC4电弧熔丝增材制造及焊接要求。

具体内容如下：

本发明提供了一种用于电弧熔丝增材制造及高性能焊接的钛合金焊丝，焊丝的化学组分按重量百分比计，包括C:0.03~0.10%，Al:5.5~7.0%，V:3.5~4.5%，B:0.10~0.20%，O:0.03~0.12%，N≤0.012%，H≤0.005%，余量为Ti以及不可避免的杂质。

本发明在现有TC4合金基础上，优化Al、V合金范围，通过固溶强化、细晶强化保证熔体基础强度；增加C含量，促成TiC形核进一步提高强度及延展性；添加B元素，生成针状TiB颗粒细化晶粒提高强塑性，TiB颗粒占据原位晶界相减小各向异性，清除间隙元素的能力降低熔体缺陷；同时，合理控制间隙元素O、N、H含量用以提高低应变脆性敏感性、降低熔体缺陷，最终有效提高熔体综合力学性能。

本发明提供的焊条药皮中各成分的主要作用如下：

（C:0.03~0.10%）

碳是晶粒细化剂，添加的碳可以降低凝固温度，提供使β晶粒尺寸细化的组织过冷和生长限制。同时，形成的TiC可以作为成核相，进而提高平均拉伸强度和延展性。超过0.10%的碳含量，会形成大的碳化物，从而严重降低了拉伸延展性。因此，将C含量控制在0.03~0.10%。

（Al:5.5~7.0%）

铝是常用的α稳定元素，它是通过固溶强化α相提高熔体强度，铝含量超过7.0%后，易形成脆性的Ti₃Al相。

（V:3.5~4.5%）