[發明專利]一種鋁/鋼異種金屬熔焊原位形成多主元共晶高熵焊縫的填充材料及其焊接方法

在審

• 申請號: 202310044458.6
• 申請日: 2023-01-30
• 公開（公告）號: CN115971718A
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 劉德佳;李斌;馬哲;焦海濤;唐延川;胡勇;趙龍志
• 申請（專利權）人: 華東交通大學
• 主分類號: B23K35/24
• 分類號: B23K35/24;B23K26/26;B23K26/60;B23K33/00;B23K103/20
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務所(普通合伙) 11732
• 代理人: 譚艷

本發明屬于焊接鋁/鋼異種金屬技術領域。本發明提供了一種鋁/鋼異種金屬熔焊原位形成多主元共晶高熵焊縫的填充材料及其焊接方法。填充材料由如下原子百分比的原料制備得到：Cu20～50％、Ni15～45％、Mn20～40％。本發明將Cu、Ni和Mn制備的混合粉末作為焊接鋁/鋼異種金屬的填充材料，利用激光熱源+同軸送粉技術，使Fe、Al、Cu、Ni和Mn元素在焊縫熔池中發生共晶反應形成FCC固溶體相與B2相交替排列的共晶或近共晶高熵合金結構，其優異的強韌性與液態成型性在提高鋁/鋼異種金屬焊接接頭強韌性的同時改善了焊縫的成型性能，實現了鋁/鋼異種金屬的高質量焊接，且制備過程簡便，焊接成本較低。

技術領域

本發明涉及焊接鋁/鋼異種金屬技術領域，尤其涉及一種鋁/鋼異種金屬熔焊原位形成多主元共晶高熵焊縫的填充材料及其焊接方法。

背景技術

鋁合金密度小、比強度高、具有良好的導電性、導熱性和耐腐蝕性，鋁/鋼異種金屬構件在航空、造船、石油化工、原子能和車輛制造工業具有獨特的優勢和良好的經濟效益。但鋁與鋼之間的冶金相容性極差，易形成Fe-Al脆性金屬間化合物，嚴重劣化接頭性能。為了改善鋁/鋼異種金屬的焊縫成型，提高焊接接頭的力學性能，許多學者在焊縫中加入了合金元素，如，通過加入Cu、Ni、Zn和Si來減少焊縫Fe-Al脆性金屬間化合物的生成。合金元素主要以金屬薄膜、金屬薄片、金屬鍍層、合金焊絲和合金釬料的方式添加。如，“一種焊絲和其應用于鋁及鋁合金與鋼焊接的方法(CN101284339A)”、“一種鋁鋼異種材料釬焊用釬料(CN106216874A)”、“一種預置中間層提高異種金屬接頭強度的激光熔釬焊方法(CN114905105A)”和“鋁鋼異種金屬激光熔釬焊焊接方法和填充粉末(CN102764934A)”。這些方法雖然可以避免Fe、Al元素的接觸，有效減少Fe-Al脆性金屬間化合物的生成，但仍有其他脆性金屬間化合物的產生，如Al₂Cu、Ni₃Al、FeZn₁₀等。

高熵合金是由五種或五種以上主元形成的合金，具有高混合熵效應、晶格畸變效應、遲滯擴散效應和雞尾酒效應，能使合金獲得更高的強度和硬度。作為鋁/鋼異種金屬的中間層，高熵合金的高混合熵效應與遲滯擴散效應借助Fe、Al元素在高熵合金中有一定固溶度的優勢，可減少鋁/鋼異種金屬焊縫金屬間化合物的生成。如，“基于高熵合金中間層鋁/鋼異種金屬雙光束激光焊接方法(CN113500293B)”和“采用鎳基高熵合金中間層的鋼-鋁合金激光焊接方法(CN114406469A)”中制備高熵合金金屬片作為焊縫中間夾層；“用于鋁-鋼MIG焊接的高熵藥芯焊絲及其制備方法(CN108161278A)”和“用于鋁-鋼埋弧焊焊接的高熵藥芯焊絲及其制備方法(CN108161277A)”中制備了高熵藥芯焊絲。但是高熵合金制作工藝流程復雜，且成分調控不便，采用高熵合金中間層或制備高熵合金焊絲在實際應用中存在一定的局限性。據此，有學者提出使用多種金屬薄膜或使用多主元金屬粉末，在焊縫中直接形成高熵合金結構，以達到減少Fe-Al金屬間化合物生成的目的。如，“一種基于原位合成Al_XCoCrFeNi高熵合金中間層的鋁/鋼激光焊接方法(CN114951997A)”和“一種激光高熵化填粉焊接抑制焊縫脆性金屬間化合物生成的方法(CN111590204A)”。然而這一類單相或雙相高熵合金焊縫在接頭強塑性方面存在缺陷，尤其是鋁合金熔化使鋁元素進入焊縫熔池，促進焊縫BCC相生成，使接頭具有硬脆性特點，接頭力學性能并不理想。