[发明专利]含有微量纳米颗粒铝合金焊丝线材及其制备方法

摘要

本发明涉及含有微量纳米颗粒铝合金焊丝线材及其制备方法，包括以下五个步骤：(1)纳米尺度内生TiC/Al中间合金的制备；(2)含有纳米TiC颗粒铝合金铸锭的制备；(3)铸锭均匀化处理；(4)含有纳米TiC颗粒铝合金热挤压塑性成型；(5)铝合金焊丝线材拉拔成型。本发明是要解决现有制备工艺及成分组成所生产焊丝线材焊接性能低的问题。本发明涉及的技术方案是通过在铝合金中以陶铝中间合金的形式加入微含量内生的纳米尺寸TiC颗粒，同时严格控制Si、Fe、Cu杂质元素的含量，制备微量纳米陶瓷颗粒的铝合金焊丝线材，纳米尺寸陶瓷颗粒可以促进熔池内金属异质形核，细化焊缝组织，使铝合金的接效率提高，焊接强度提高。

主权项

1.一种含有微量纳米颗粒铝合金焊丝线材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)纳米尺度内生TiC/Al中间合金的制备：(1a)纳米碳管的球磨剪断活化预处理：将直径8‑30纳米，长度20‑50微米的纳米碳管放入球磨罐中，球料比为100:1，将混料机的球磨速度设置为200‑300r/min，球磨时间为0.5‑3小时；(1b)反应压坯的制备：a.称取所需的13‑48μm Al合金粉、13‑48μm Ti粉和经球磨预处理的纳米碳管、炭黑粉备用；所用铝合金粉质量分数为：Mg：4.5wt.％～6.6wt.％；Mn：0.4wt.％～0.85wt.％；Si：0.01wt.％～0.045wt.％；Fe：0.01wt.％～0.20wt.％；Cu：0.01wt.％～0.15wt.％；Zn：0.01wt.％～0.22wt.％；Ti：0.12wt.％～0.32wt.％；Be：0.0001wt.％～0.0003wt.％；余量为Al；b.反应压坯成分为Al合金粉：56.99‑83.64wt.％；Ti粉：13.08‑34.38wt.％；纳米碳管CNT：1.64‑4.315wt.％；炭黑粉：1.64‑4.315wt.％；反应压坯中纳米碳管CNT和炭黑粉质量比为：1:1；将不同配比不同粒度Al合金粉、Ti粉和经球磨预处理的纳米碳管、炭黑粉按以下三种配比配制成100g混合粉末；①当内生纳米TiC陶瓷颗粒的占纳米尺度内生TiC/Al中间合金的体积分数为10vol.％：将碳纳米管CNTS/炭黑粉，钛粉，铝合金粉分别按照各自重量分别为：含纳米碳管CNT和炭黑粉的碳源：3.28克，钛粉：13.08克，铝合金粉：83.64克，配制成100克混合粉末；其中纳米碳管CNT和炭黑粉各占碳源的50wt.％，即：纳米碳管CNT：1.64克；炭黑粉：1.64克；②当内生纳米TiC陶瓷颗粒的占纳米尺度内生TiC/Al中间合金的体积分数为20vol.％：将碳纳米管CNTS/炭黑粉，钛粉，铝合金粉分别按照各自重量分别为：含纳米碳管CNT和炭黑粉的碳源：6.13克，钛粉：24.43克，铝合金粉：69.44g，配制成100g混合粉末；其中纳米碳管CNT和炭黑粉各占碳源的50wt.％，即：纳米碳管CNT：3.065克；炭黑粉：3.065克；③当内生纳米TiC陶瓷颗粒的占纳米尺度内生TiC/Al中间合金的体积分数为20vol.％：将碳纳米管CNTS/炭黑粉，钛粉，铝合金粉分别按照各自重量分别为：含纳米碳管CNT和炭黑粉的碳源：8.63克，钛粉：34.38克，铝合金粉：56.99g，配制成100g 混合粉末；其中纳米碳管CNT和炭黑粉各占碳源的50wt.％，即：纳米碳管CNT：4.315克；炭黑粉：4.315克；c.将不同组分、粒度的反应物粉料与氧化锆磨球放入混料罐中，罐中盛有直径分别为5mm、7mm、11mm、15mm、20mm、22mm的ZrO₂球，每种10个，ZrO₂球质量共800g，球料比设置为8:1，将混料机的球磨速度设置为30‑60r/min，混料时间设置为8‑48小时；d.将球磨混料的粉料取出，称取100g粉料用铝箔包住在液压试验机上压制成直径45mm，高度为30mm的圆柱形压坯；致密度为65‑75％；(1c)压坯烧结原位反应合成纳米尺度内生TiC/Al中间合金：将步骤(1b)中制备的圆柱形压坯放入压坯烧结原位反应致密化所用的石墨模具，将石墨模具和圆柱形压坯整体放入真空燃烧合成炉中，关上炉门，抽真空至炉内压力低于10Pa；开始加热；加热速度设置为25‑40K/min；当到炉内测量温度显示为1173K时，保温10min，然后对圆柱形压坯开始施加轴向压力，应力值为35‑55MPa，并保持压力15‑25s；随后关闭加热装置，保持炉内真空，随炉冷却至室温；(2)含有纳米TiC颗粒铝合金铸锭的制备：(2a)按照铝合金的成分为：Mg：4.5wt.％～6.6wt.％；Mn：0.4wt.％～0.85wt.％；Si：0.01wt.％～0.045wt.％；Fe：0.01wt.％～0.20wt.％；Cu：0.01wt.％～0.15wt.％；Zn：0.01wt.％～0.22wt.％；Ti：0.12wt.％～0.32wt.％；Be：0.0001wt.％～0.0003wt.％；余量为Al，配置铝合金，将配置铝合金的原料一起加入到干燥的熔炼炉中，加热到温度为1023‑1073K条件下熔炼1h～2h，得到铝合金熔液；(2b)随后加入纳米尺度内生TiC/Al中间合金，纳米TiC陶瓷颗粒实际加入量为0.01wt.％‑0.3wt.％，机械搅拌2‑4min；纳米TiC陶瓷颗粒分别单独加入；(2c)将超声波探头接触至液面保温5min后，下降探头至液面以下100‑150mm并保温5min；随后开启超声波设备，振动3‑8min；(2d)加入0.05‑0.10wt.％的清渣剂对合金液进行精炼除渣，打渣处理后保温5min；(2e)将超声处理后的铝合金溶液在温度在1003K‑1023K下铸造成坯、铸造速度为100mm/min～120mm/min；冷却水强度为0.05MPa～0.08MPa；冷却水温度为283K‑303K；铸造成直径为130mm‑135mm的铸锭；(3)铸锭均匀化处理：(3a)将步骤( 2) 中制备得到的铸锭切断，断后的铸锭长度为400mm，再将铸锭表面的氧化皮车削掉，制得直径为120mm‑125mm的铝合金铸锭；(3b)进行均匀化退火处理，退火温度为773K‑803K，保温时间为20h‑22h，得到铝合金铸锭；(4)含有纳米TiC颗粒铝合金热挤压塑性成型：(4a)将步骤( 3) 中经均匀化处理后的含有纳米TiC颗粒铝合金放入电阻炉中加热至673K‑733K，保温1h‑3h，(4b)再放入挤压机中，温度为673K‑753K条件下进行热挤压塑性成型，制得线材毛料；挤压比为12:1；(5)铝合金焊丝线材拉拔成型：(5a)将步骤( 4) 制得的线材毛料在温度为653K‑703K条件下保温1.5h～2.5h，然后以25‑30K/h的速度降温冷却至543K以下，然后空冷至室温；(5b)将线材进行第一次拉拔，拉拔至直径为8.2mm～8.6mm的线材，将线材进行中间退火，退火温度为653K‑703K，保温时间1.5h～2.5h，然后以25‑30K/h的速度降温冷却至543K以下，然后空冷至室温；(5c)再将线材进行第二次拉拔，拉伸至直径为6.7mm～7.1mm的线材，将线材进行中间退火，退火温度为653K‑703K，保温时间1.5h～2.5h，然后以25‑30K/h的速度降温冷却至543K以下，然后空冷至室温；(5d)重复步骤( 5c) ，共进行6～9道次拉拔+中间退火，每道次拉拔面收缩率为16～18％，并且，每道次的变形量一致；最终制得1.6mm～3.0mm直径含有微量纳米碳化钛颗粒铝合金焊丝线材。