一種耐腐蝕性強(qiáng)的鈦合金焊接用低成本鈦合金焊絲的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種耐腐蝕性強(qiáng)的α型鈦合金焊接用低成本鈦合金焊絲。該鈦合金焊絲主要包含有Ni、Co、Cr、Pd、Ru五種合金元素。其特點(diǎn)是使用該焊絲得到的焊縫耐蝕性強(qiáng)，耐熱性與可焊性好，特別是在熱氧化氯鹽水、還原酸性介質(zhì)及縫隙腐蝕等環(huán)境下抗腐蝕性能優(yōu)良，工件使用壽命明顯優(yōu)于其他材料。本發(fā)明在給出的成份范圍內(nèi)，針對(duì)化工行業(yè)及海洋平臺(tái)的不同要求分別給出了兩種不同的最佳焊絲成份。該焊絲實(shí)現(xiàn)工藝簡(jiǎn)單，成材率高，合金元素量少，可焊性好、得到的焊縫使用壽命長(zhǎng)，所以綜合成本較低。該產(chǎn)品在石化和海洋平臺(tái)的應(yīng)用前景廣闊，可取得可觀的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
【專利說(shuō)明】【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1] 本發(fā)明屬于鈦基合金【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種適用于高腐蝕環(huán)境的α型鈦合金 焊接用低成本鈦合金焊絲。 一種耐腐蝕性強(qiáng)的鈦合金焊接用低成本鈦合金焊絲 【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)沿海地區(qū)淡水需求量的日益增大，我國(guó)海洋資源配合利用呼聲升高，以多級(jí) 閃蒸為龍頭的大型蒸餾海水淡化裝置（包括MSF、ME、VC)的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)必將成為我國(guó)的一項(xiàng) 新興產(chǎn)業(yè)。加之我國(guó)具有漫長(zhǎng)的海岸和豐富廉價(jià)的海水資源，向大海要效益是今后一段時(shí) 期內(nèi)我國(guó)的一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，鈦及鈦合金在海水淡化中的應(yīng)用市場(chǎng)前景廣闊。
[0003] 在海水淡化生產(chǎn)方法中，應(yīng)用最多的是多級(jí)閃蒸法，該方法的設(shè)備主要由海水加 熱、熱回收部冷凝器、熱輸出部冷凝器、通風(fēng)凝結(jié)器和噴射壓氣機(jī)等部分構(gòu)成，熱交換部位 使用了大量的傳熱管，原用銅合金管，由于銅合金不耐腐蝕，目前已被鈦管所代替。鈦主要 應(yīng)用于海水淡化設(shè)備中的導(dǎo)熱管。隨著中東與亞洲電力及海水淡化市場(chǎng)的開(kāi)拓，薄壁鈦焊 管的需求量也將逐漸增加，相應(yīng)的鈦合金焊材也隨之增加，但目前的耐腐蝕類鈦合金焊材 焊接后得到的焊縫在高溫腐蝕介質(zhì)中發(fā)生間隙腐蝕機(jī)率很高，要解決此問(wèn)題，研發(fā)耐高溫 耐腐蝕性良好的焊材是關(guān)鍵突破口。
[0004] 另外換熱器、熱交換器行業(yè)板片常用的材料主要也采用鈦及鈦合金材料，鈦是海 水淡化設(shè)備換熱器的首選材料，鈦板制造的板式換熱器有許多優(yōu)點(diǎn)，在市場(chǎng)上有很強(qiáng)的競(jìng) 爭(zhēng)力，主要用于化工、石油、艦船、海水淡化等熱交換系統(tǒng)，對(duì)高耐腐蝕的鈦基焊材需求也在 逐步增加。
[0005] 鈦對(duì)大多數(shù)鹽溶液來(lái)說(shuō)，具有優(yōu)異的耐蝕性。對(duì)熱的亞氯酸鈉和各種濃度的次氯 酸鹽也有良好的穩(wěn)定性；對(duì)大多數(shù)的堿溶液具有良好的耐蝕性，尤其是含有氯離子和氯化 物的堿溶液；在潮濕的氯氣中及在飽和氯氣的硫酸、鹽酸和氯化物等介質(zhì)中都很穩(wěn)定；在 碳?xì)浠衔镏械哪臀g性也很好，因此鈦基材料廣泛用于真空制鹽和漂粉精煉行業(yè)；氯堿行 業(yè)；硫酸法鈦白粉化工生產(chǎn)設(shè)備；有機(jī)化工業(yè)等。在這些超強(qiáng)腐蝕環(huán)境下，焊縫金屬及焊接 熱影響區(qū)特別容易首先出現(xiàn)腐蝕，所以解決鈦合金焊材在高腐蝕環(huán)境下的焊縫腐蝕是鈦合 金材料在這些行業(yè)中進(jìn)一步推廣的重要因素之一。
[0006] 在這些高腐蝕環(huán)境下，普通的耐腐蝕鈦基合金焊材通過(guò)焊接后得到的焊縫，經(jīng)常 會(huì)出現(xiàn)耐腐蝕性能下降、縫隙腐蝕明顯。在狹窄的縫隙內(nèi)或閉塞區(qū)中，鈦氧化膜自愈反應(yīng)由 于氧耗盡，氧向縫內(nèi)擴(kuò)散受到阻抑及氯離子濃縮形成酸，在鈦新鮮表面上腐蝕將急劇進(jìn)行。 焊接后造成縫隙一方面是因?yàn)樵阝伡扳伜辖鸬暮附舆^(guò)程中，接頭處的氣孔是一種主要缺 陷。另一方面鈦是一種活潑金屬，在焊接過(guò)程的高溫條件下，鈦與氧、氮、氫反應(yīng)速度較快， 且生成物不致密。鈦在吸收氧、氫、氮后形成間隙固溶體化合物，使焊接接頭塑性和韌性降 低，引起焊接點(diǎn)脆化。如果焊縫含氫量過(guò)多即吸氫量超過(guò)0.015%時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)細(xì)片狀或針 狀析出物TiH 2，因?yàn)門(mén)iH2比容較a -Ti基體約大20%，容易產(chǎn)生很大的相變應(yīng)力，導(dǎo)致TiH2 及TiH2/a -Ti界面上微裂紋的形成，從而給間隙腐蝕創(chuàng)造了條件，同時(shí)也使焊縫沖擊性能 下降。焊接時(shí)由于熔池和低溫區(qū)母材中的氫向熱影響區(qū)擴(kuò)散，引起熱影響區(qū)氫含量增加，如 果這個(gè)部位處于不利的應(yīng)力狀態(tài)，就會(huì)引起微裂紋。雖然為了避免此類情況的發(fā)生會(huì)選擇 使用一些常規(guī)的耐腐蝕鈦合金焊材進(jìn)行使用，這些普通的耐腐蝕焊材較一般的純鈦材料發(fā) 生縫隙腐蝕的可能性小很多。但一旦發(fā)生縫隙腐蝕，由于表面沉積的Pd與Ti 2Ni均為促進(jìn) 陰極反應(yīng)使析氫與滲氫加速，氫脆的促進(jìn)作用使得腐蝕破壞的速度更快。所以在高溫腐蝕 環(huán)境或強(qiáng)腐蝕環(huán)境下需要開(kāi)發(fā)更加耐蝕的焊接材料來(lái)保證焊縫的質(zhì)量。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種適用于高溫腐蝕環(huán)境及強(qiáng)腐蝕環(huán)境下的 鈦合金焊接材料，采用這類焊接材料焊接α型鈦合金得到的焊縫金屬具有耐蝕性強(qiáng)，耐熱 性好，特別是具有較好的抗縫隙腐蝕性能。
[0008] 本發(fā)明提供的鈦合金焊絲的成分，按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)算為，Ni :0.25%?0.80%;C〇 : 0%?0· 35% ;Cr :0· 10%?0· 20% ;Pd :0%?0· 06% ;Ru :0· 02%?0· 06%，上述五種合金 元素重量百分?jǐn)?shù)之和為0. 50%?1. 20%,余量為T(mén)i和雜質(zhì)元素，
[0009] 作為優(yōu)選：鈦合金焊絲的成分，按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)算為，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% ;同時(shí) 滿足Ni、Pd、Ru三元素重量百分比之和為Co、Cr兩元素重量百分比之和的1. 0?1. 2倍， 余量為T(mén)i和雜質(zhì)元素，該成分的鈦合金焊絲適用于海洋平臺(tái)，如海洋石油鉆井平臺(tái)、海水 淡化裝備等領(lǐng)域中；
[0010] 作為優(yōu)選：鈦合金焊絲的成分，按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)算為，Ni :0.40%?0.80% ;Cr : 0· 10%?0· 20% ;Pd :0· 0%?0· 06% ;Ru :0· 02%?0· 06% ;同時(shí)滿足Ni元素重量百分比 為Pd、Ru兩元素重量百分比之和的10?16倍，余量為T(mén)i和雜質(zhì)元素，該成分的鈦合金焊 絲適用于有機(jī)化工業(yè)和化工裝備，如PTA，PVA，真空制鹽、氯堿行業(yè)等領(lǐng)域。
[0011] 上述成分的鈦合金焊絲可加工成適合多種焊接要求和焊接工藝的TIG絲或MIG 絲，得到耐蝕性良好的焊接接頭。
[0012] 該發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)是通過(guò)優(yōu)化耐腐蝕元素及耐熱元素的配比，得到耐高溫腐蝕性能 更好和抗縫隙腐蝕性能更好的焊縫金屬?？刂坪辖鹪氐目偭亢捅壤?，一方面保證了產(chǎn)品 的成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也兼顧了提高可焊性指標(biāo)。
[0013] 常規(guī)耐腐蝕鈦合金焊材采用一種元素或兩種元素進(jìn)行一重措施防縫隙腐蝕或熔 敷層下的腐蝕，而該發(fā)明焊材采用三重措施防縫隙腐蝕或熔敷層下的腐蝕，其一是通過(guò)充 分利用低價(jià)的防腐蝕元素鎳，通過(guò)鎳離子來(lái)改變縫隙和表面熔敷層下面材料的電化學(xué)性能 及Ti 2Ni沉淀來(lái)改善陰極過(guò)程達(dá)到純化，從而提高抗縫隙腐蝕性能；其二是通過(guò)添加相對(duì)于 鈀成本更低的釕元素，釕可以優(yōu)先隔離鎳相，使少量的釕與鎳相發(fā)生協(xié)效作用，比起用釕本 身作為抗腐蝕成分，對(duì)焊材具有更有效的保護(hù)，充分提高了抗縫隙腐蝕或熔敷層下的腐蝕 的性能；其三是增加少量的鈀元素以提高在高強(qiáng)的腐蝕條件下的耐蝕性能。
[0014] 為了保證高溫下的耐腐蝕性能穩(wěn)定，特別添加了適量的耐高溫和穩(wěn)定元素，包括 Cr和Co,其中適量的鉻在不降低塑性的情況下可以提高改善焊縫的強(qiáng)度和淬透性，而少量 的Co可以提高焊縫的耐高溫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 脹系數(shù)的焊縫，避免焊縫金屬由于熱脹冷縮而增加縫隙腐蝕的機(jī)率。 【具體實(shí)施方式】
[0015] 本發(fā)明焊材制備工序?yàn)椋号淞匣旌弦蝗蹮掕T錠一開(kāi)坯鍛造一退火熱軋一拉絲處理 -真空除氫一成品焊材
[0016] 配料混合：選取相關(guān)合金元素進(jìn)行配比，Ni、Co、Cr以純金屬、Ru以化合物（Ru04)、 Pd以0海綿態(tài)加入原材料，原材料采用海綿鈦，進(jìn)行混料后得到的混合物，
[0017] 熔煉鑄錠：將混合物放入真空（真空度為0. 8 X l(T2Pa)自耗電弧爐中熔煉3次，得 到合金鑄錠，
[0018] 開(kāi)坯鍛造：鑄錠在切除帽口、去縮孔、車表皮3?6mm后進(jìn)行開(kāi)坯鍛造，在加熱到 1300°C ±10°C的溫度下進(jìn)行鍛造，保溫后進(jìn)行自由鍛造得到Φ7.5πιπι棒材，自由鍛造加熱 溫度960°C ±10°C，保溫時(shí)間：50?60min，
[0019] 退火熱乳：將上述棒材先進(jìn)行退火處理，退火溫度及保溫時(shí)間分別： 860°C ±10°C、30?40min、空冷，然后在熱扎機(jī)上進(jìn)行i^一道連軋，得到Φ 5. 5mm盤(pán)條，
[0020] 拉絲處理：采用兩次粗拉連拉和一次精拉連拉法，兩次粗拉連拉分別是 Φ5. 5mm- Φ 3. 8mm, Φ 3. 8mm - Φ 2. 4mm, 一次精拉連拉為 Φ 2. 4mm - Φ 1.4mm，中間進(jìn)行 退火處理750°C ± 10°C，20min，隨爐冷卻，若生產(chǎn)的是直條TIG焊絲，則兩次粗拉連拉后，進(jìn) 行切絲，再酸洗處理和烘干；若生產(chǎn)的是盤(pán)裝MIG焊絲時(shí)，則需要精拉后在線酸洗和表面拋 光處理，
[0021] 真空除氫：對(duì)焊絲進(jìn)行真空除氫處理，處理溫度和保溫時(shí)間分別為： 780°C ±10°C，180min，隨爐冷卻后得到成品焊材。
[0022] 下面列出六個(gè)實(shí)施例和三個(gè)對(duì)比例，其中實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3是根據(jù)權(quán)利 要求2適用于海洋平臺(tái)的三個(gè)實(shí)施例；實(shí)施例4、實(shí)施例5、實(shí)施例6是根據(jù)權(quán)利要求3適用 于有機(jī)化工和化工裝備的三個(gè)實(shí)施例；對(duì)比例1是含鈷鈀微合金的鈦合金耐腐蝕焊材；對(duì) 比例2是含鎳鈀釕微合金的鈦合金耐腐蝕焊材；對(duì)比例3是含純鈦焊材；詳細(xì)化學(xué)成分見(jiàn) 表1 :
[0023] 表 1
[0024]
【權(quán)利要求】
1. 一種耐腐蝕性強(qiáng)的α型鈦合金焊接用低成本鈦合金焊絲，其特征在于：所述的鈦合 金焊絲的成分，按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)算為，附：0.25%?0.80%;(：〇 :0%?0.35%;0:0.10%? 0.20%^(1:0%?0.06%;1?11:0.02%?0.06%，上述五種合金元素重量百分?jǐn)?shù)之和為 0. 50%?1. 20%，余量為T(mén)i和雜質(zhì)元素。
2. 如權(quán)利要求1所述的鈦合金焊絲，其特征在于：所述的鈦合金焊絲的成分，按重量百 分?jǐn)?shù)計(jì)算為，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% ;同時(shí)滿足Ni、Pd、Ru三元素重量百分比之和為Co、Cr兩元素 重量百分比之和的1. 〇?1. 2倍，余量為T(mén)i和雜質(zhì)元素。
3. 如權(quán)利要求1所述的鈦合金焊絲，其特征在于：所述的鈦合金焊絲的成分，按重量百 分?jǐn)?shù)計(jì)算為，Ni :0· 40%?0· 80% ;Cr :0· 10%?0· 20% ;Pd :0· 0%?0· 06% ;Ru :0· 02%? 0. 06% ;同時(shí)滿足Ni元素重量百分比為Pd、Ru兩元素重量百分比之和的10?16倍，余量 為T(mén)i和雜質(zhì)元素。
4. 如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的鈦合金焊絲，其特征在于：所述的鈦合金焊絲為T(mén)IG 絲或MIG絲。
【文檔編號(hào)】B23K35/32GK104084712SQ201410318981
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】李振華, 周全法, 居曉峰 申請(qǐng)人:常州華通焊業(yè)股份有限公司