本发明提供一种用于钢与高熵合金异种焊接的焊丝材料及其制备方法。所述焊丝材料的化学组成包括主要元素和次要元素,主要元素为Al、Cu、Fe、Mn、Ni、Cr、Co中的4~6种,次要元素包括0~5种;所述焊丝材料的化学组成中每种主要元素的原子百分含量≥5%;每种次要元素的原子百分含量<5%。本发明基于被焊接材料的合金成分设计焊丝成分,制备成药芯焊丝或绞股丝材,实现焊缝的高熵化,且能得到具有优良强度和延展性的焊缝,为钢与高熵合金低成本、高效率的电弧焊接提供解决方案。
1.一种用于钢与高熵合金异种焊接的焊丝材料,其特征在于,所述焊丝材料的化学组成包括主要元素和次要元素,主要元素为Al、Cu、Fe、Mn、Ni、Cr、Co中的4~6种,次要元素包括0~5种;所述焊丝材料的化学组成中每种主要元素的原子百分含量≥5%;每种次要元素的原子百分含量<5%; 根据焊接钢的元素成分及含量确定焊丝材料的主要元素组成及含量; 若焊接钢中除Fe之外的某元素A的原子百分含量:3.5%≤A含量≤10%,则焊丝材料的主要元素包含所述元素A,且元素A在焊丝材料中的原子百分含量≥12%; 若焊接钢中除Fe之外的某元素A的原子百分含量>10%,则焊丝材料的主要元素包含所述元素A,且元素A在焊丝材料中的原子百分含量≥13%; 根据焊接的高熵合金的元素成分及含量确定焊丝材料的元素组成及含量; 所述焊丝材料组成中包括高熵合金中的两种及两种以上金属元素,所述两种及两种以上金属元素按高熵合金中的原子含量由高到低依次选择;且每种金属元素在焊丝材料中的原子百分含量为该金属元素在高熵合金中的60%~100%。
2.如权利要求1所述的焊丝材料,其特征在于,所述钢为低碳钢、轴承钢、不锈钢或马氏体时效钢;所述高熵合金为Al-Cu-Fe-Mn-Ni-Cr、Al-Fe-Cu-Mn-Ni、Al-Fe-Cu-Co-Ni、Al-Fe-Cr-Ni、Al-Fe-Cu-Cr-Ni、Al-Cr-Co-Ni、Al-Cu-Fe-Ni-Ti、Al-Cu-Cr-Ni-Mn、Al-Cu-Co-Ni-Ti、Al-Fe-Cu-Co-Cr、Al-Cu-Co-Cr-Mn或Al-Cu-Ni-Ti-Mn合金。
3.如权利要求1所述的焊丝材料,其特征在于,所述高熵合金中每种金属元素的原子百分含量均为5%~35%;所述焊丝材料的化学组成中,每种主要元素与至少一种其他主要元素的原子百分含量相差不超过20%。
4.如权利要求1所述的焊丝材料,其特征在于,所述焊丝材料的化学组成中主要元素包括Fe,Fe的原子百分含量为20%~40%,其他主要元素的原子百分含量均≤35%; 所述次要元素为Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、W、Ta、La、Ce中的任1种或2~5种的混合。
5.如权利要求1所述的焊丝材料,其特征在于,所述焊丝材料的主要元素包含Fe和Cr,这两种元素的原子百分含量的差值≤16%; 或,所述焊丝材料的主要元素包含Fe和Ni,这两种元素的原子百分含量的差值≤16%; 或,所述焊丝材料的主要元素包含Fe和Al,这两种元素的原子百分含量的差值≤16%; 或,所述焊丝材料的主要元素包含Cr和Ni,这两种元素的原子百分含量的差值≤8%; 或,所述焊丝材料的主要元素包含Cr和Al,这两种元素的原子百分含量的差值≤8%; 或,所述焊丝材料的主要元素包含Ni和Al,这两种元素的原子百分含量的差值≤8%; 或,所述焊丝材料的主要元素包含Cr、Ni和Al,这三种元素中任两种元素的原子百分含量的差值≤6%。
6.如权利要求1-5任一项所述的焊丝材料,其特征在于,将焊丝材料制成药芯焊丝或绞股丝材。
7.如权利要求6所述的焊丝材料,其特征在于,所述焊丝材料制成绞股丝材时,若焊丝材料的化学组成包括主要元素Al、Ni或Cu中的任一种,且该主要元素在焊丝材料中的原子百分含量≥20%,则引入稀土元素作为焊丝材料的次要元素; 将所述原子百分含量≥20%的主要元素Al、Ni或Cu,分别与引入的稀土元素制成Al-RE、Ni-RE或Cu-RE二元金属丝,要求稀土在每种二元金属丝中的质量含量不高于0.1%,进而制备成绞股丝材;绞股丝材中稀土质量含量不高于绞股丝材总质量的0.01%;所述稀土为La或Ce单质,或者La与Ce的混合物。
8.一种权利要求6所述焊丝材料的制备方法,其特征在于,将焊丝材料制备成药芯焊丝时,其制备方法为: (1)药芯焊丝包括外皮和药芯,采用合金带作为药芯焊丝的外皮,药芯成分基于焊丝材料成分,减去外皮合金带中合金元素的含量得到;将药芯成分的原子百分含量换算成质量百分含量,进而称取各金属粉末,混合,要求金属粉末的纯度不小于99.9%,粒度为80~100目; (2)将混合金属粉末烘干,烘干温度80~120℃,烘干时间1~2小时;然后混合均匀; (3)采用焊丝成型设备将金属粉末送入U形外皮钢带,经轧制和拉拔制成药芯焊丝,得到的药芯焊丝直径为1.2~3.0mm。
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