一种稀土镁合金焊丝及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种稀土镁合金焊丝，其特征在于该镁合金焊丝的质量百分比组成为，Gd：2.00～7.00wt％，Y：0.02～2.00wt％，Zr：0.30～0.80wt％，Sn：0.20～0.50wt％，Ag：0.02～0.18wt％，Er：0.02～0.18wt％，余量为镁及不可避免的杂质。本发明专利技术选择可热处理强化的Mg

【技术实现步骤摘要】
一种稀土镁合金焊丝及其制备方法


[0001]本专利技术涉及镁合金，具体涉及一种稀土镁合金焊丝及其制备方法。

技术介绍

[0002]镁合金凭借密度低、比强度高、比刚度高等特点，在航空航天、交通电子领域得到广泛应用，镁合金需求量日益增加，镁合金材料种类也随之增加。
[0003]目前，大尺寸、结构复杂的镁合金构件的连接方法多采用焊接方法。然而镁合金焊丝材料的发展远滞后于镁合金材料发展，这是由于镁合金焊接用工业、半工业化镁合金焊丝加工方式是挤压加工。镁合金的密排六方结构，导致变形抗力大，常温加工性能差、塑性低。常规焊丝加工步骤主要包括两个主要步骤：挤压和拉拔。随着丝材直径逐渐减小，挤压力和难度成倍增加。采用热挤压法生产直径Ф2.0mm以下的丝材难度太大，对挤压模具、挤压机要求苛刻。为了降低镁合金拉拔难度，同时追求镁合金焊丝最终的性能品质，通常在较低挤压速度、大挤压比下采用单孔挤压模具进行丝材挤压，挤压效率低。受限于变形能力，挤压加工获得的镁合金丝材需要多道次拉拔才能获得直径Ф1.2～1.6mm镁合金焊丝。并且随着丝材拉拔直径降低，断丝风险大大加大。单孔丝材挤压和多道次拉拔导致镁合金焊丝生产效率极低。文献(ZM6镁合金焊丝热挤压
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热拉拔工艺研究
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张铁磊)为尽量减少后续拉拔道次仅热挤压制备出直径Ф4.0mm丝材，经4道次热拉拔仅获得Ф3.0mm焊丝。采用常规热挤压
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拉拔工艺仅制备出少量长度小于40m的连续镁合金焊丝，无法满足镁合金焊丝盘丝要求(按照YS/T696
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2015，Ф1.6mm镁合金焊丝盘丝按照6Kg/盘计算，密度按1.8g/cm3，镁合金焊丝长度约为1658.7m/盘)。常规热挤压方法无法连续送料，无法生产出足够长的连续丝材。每送料一次，在挤压而成的丝材上就存在一个连接接头。不同于铝合金，镁合金挤压线材的连接接头是“伪连接”，无法达到冶金结合，在后续拉拔过程发生断丝，最终无法形成盘丝。
[0004]根据调研，稀土镁合金焊丝盘丝用于MIG焊、激光电弧复合焊、铸件补焊及增材制造具有迫切需求且未发现在售稀土镁合金焊丝盘丝的存在。因此，镁合金焊丝短流程加工，提高连续生产效率及解决丝材接头连接问题是镁合金焊丝半工业化、工业化生产的关键。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的第一个技术问题是提供一种利于挤压、拉拔且焊接性能优异的稀土镁合金焊丝。
[0006]本专利技术解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种稀土镁合金焊丝，其特征在于该镁合金焊丝的质量百分比组成为，Gd：2.00～7.00wt％，Y：0.02～2.00wt％，Zr：0.30～0.80wt％，Sn：0.20～0.50wt％，Ag：0.02～0.18wt％，Er：0.02～0.18wt％，余量为镁及不可避免的杂质。
[0007]合金元素Gd、Y通过原子错排以及基体与Gd、Y元素之间弹性模量差异达到提升力学性能效果，从而提高焊丝品质。在后续焊丝焊接时，焊接接头中由Gd、Y元素形成的细小
Mg5Gd、Mg
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Y5、Mg
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(Gd、Y)5作为弥散强化相，在焊接接头形变过程阻碍位错和滑移系运动，从而提高焊缝抗拉强度。焊丝合金体系属于可热处理强化，通过适当焊后热处理时效制度可进一步强化焊缝抗拉强度。本申请中Gd：2.00～7.00wt％，Y：0.02～2.00wt％，当Gd的添加量小于2.00wt％、Y的添加量小于0.02wt％时，无法形成足够数量的第二相粒子，强化效果不明显，而且在焊接接头时效处理后力学性能提升较小，当Gd的添加量大于7.00wt％、Y的添加量大于2.00wt％时，虽然总合金化的增加明显提升了力学性能，但合金的挤压难度随之剧烈增加，挤压过程会出现难以咬入挤压轮，送料困难，难以连续生产。
[0008]Zr元素作为结晶时的形核核心、细化晶粒，减少铸锭热裂倾向。本申请中Zr的添加量为0.30～0.80wt％，在该范围内能够实现强度与塑性的结合。
[0009]加入Ag元素除了固溶至基体达到固溶强化作用，Gd与Ag形成弥散分布的细小颗粒状Ag2Gd相，Ag2Gd相进入焊接接头作为形核质点细化焊缝晶粒，提高焊缝力学性能。在焊接接头凝固过程，Ag的加入对Gd、Y元素析出起到诱导作用，加快了Mg5Gd、Mg
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Y5、Mg
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(Gd、Y)5在熔池与凝固区交界处的析出，正是Ag的辅助诱导作用使Gd、Y元素析出强化焊缝的效果发挥到最大。另外Ag元素的加入降低锥面滑移系的启动难度，提高合金塑性加工性能。当Ag控制在0.02～0.18wt％时诱导析出作用最佳，同时材料的加工性能和焊丝焊接性能最好。
[0010]添加微量Sn元素将铸锭中柱状晶转变为等轴晶，改善铸锭质量。具有hcp晶体结构的稀土镁合金经预热后，在挤压过程常见基面滑移系和棱柱面滑移系协调变形，锥面滑移系作为潜在滑移系较难启动。本专利技术通过添加Sn与Mg形成面心立方结构的Mg2Sn相，降低临界剪切应力，使稀土镁合金变形过程中启动锥面滑移系协调相邻晶粒之间变形，提高稀土镁合金塑性加工能力。焊丝化学成分优化设计时发现，当Sn添加量＜0.2时，当一部分Sn与Y形成Sn3Y5时，使Mg2Sn数量相对减少，导致协调变形不充分；当Sn添加量＞0.6％时，会明显粗化晶粒，甚至增加枝状晶数量，降低铸锭品质。因此本申请中为保证充分协调变形且不恶化铸锭品质，Sn选择：0.20～0.50wt％。
[0011]镁合金熔化焊的熔池快速凝固时，氢气无法及时逸出是形成焊接接头气孔缺陷的主要原因，氢的来源主要来自焊丝材料和焊接环境中的水。因此，控制并减少镁合金熔体含氢量是镁合金焊丝制备的重要环节。本专利技术通过添加的元素Er与水气、Mg熔液中的H反应，低密度固体ErH2和Er2O3上浮后形成固体渣，达到去除熔体氢、氧化物夹杂效果，从而改善焊接接头中气孔和氧化物夹杂等缺陷。另外，含Er相在均匀化处理过程仍分布于晶界处，抑制了晶界扩展从而抑制铸态组织晶粒长大；镁合金挤压加工中含Er第二相发生破碎，阻碍位错运动、晶界迁移。位错堆积和晶界钉扎处正是动态再结晶晶粒的形核质点，降低了发生动态再结晶的临界剪切应力σ
b
，大大提高动态再结晶程度，和滑移变形机制共同协调动作使焊丝挤压过程顺利进行。研究发现抑制晶粒长大和提高挤压加工性能作用随Er含量增加逐渐提升，但Er添加量大于0.18wt％后，强化效果趋于平稳，因此，本申请中Er：0.02～0.18wt％。
[0012]本专利技术中，杂质元素的控制为Si≤0.02％，Cu≤0.03％，Fe≤0.01％，Ni≤0.007％。
[0013]作为优选，Y、Sn的质量添加比满足：Y/Sn≤5.5。随着Y/Sn比的增加，合金塑性加工性能逐渐降低，并在大于5.5时急剧下降。这是由于Sn元素的微量添加主要作用是激活潜在滑移系，从而协调挤压变形。而Y的添加增加了挤压变形难度。Y元素除了形成Mg5(Gd、Y)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种稀土镁合金焊丝，其特征在于该镁合金焊丝的质量百分比组成为，Gd：2.00～7.00wt％，Y：0.02～2.00wt％，Zr：0.30～0.80wt％，Sn：0.20～0.50wt％，Ag：0.02～0.18wt％，Er：0.02～0.18wt％，余量为镁及不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的稀土镁合金焊丝，其特征在于：Y、Sn的质量添加比满足：Y/Sn≤5.5。3.根据权利要求1所述的稀土镁合金焊丝，其特征在于：该镁合金焊丝中尺寸≤4μm的Mg5Gd和Mg
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Y5数量占Mg5Gd和Mg
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Y5总数量的80％以上。4.一种权利要求1至3任一权利要求所述的稀土镁合金焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：1)采用半连续铸造制备出铸锭；2)对铸锭进行均匀化处理；3)将步骤2)中的铸锭挤压形成杆料；4)等径角连续挤压：将多根杆料依次送入挤压机中，所述挤压速度：0.85～1.52m/min，挤压比：3.73～9.90，杆料在直角弯曲挤压处头尾相接，杆料连续挤压后形成连续的盘丝；5)将盘丝...

【专利技术属性】
技术研发人员：周古昕，李金宝，郎玉婧，王生，杜秀征，韩峰，毛华，乔丽，李清波，郑军，贺新民，
申请(专利权)人：中国兵器科学研究院宁波分院，
类型：发明
国别省市：