[发明专利]Fe-Al-Fe过渡接头电弧3D打印用材料及方法

说明书

本发明公开的Fe‑Al‑Fe过渡接头电弧3D打印用焊接材料，包括Fe‑Al侧药芯焊丝和Al‑Fe侧药芯焊丝；专门用于解决Fe‑Al界面、Al‑Fe界面脆性金属间化合物生成导致的接头开裂问题。本发明还公开一种Fe‑Al‑Fe过渡接头电弧3D打印用焊接方法。本发明方法针对Fe‑Al‑Fe异种材料连接结构，基于Al‑Fe之间的冶金反应特点，分别设计了Fe‑Al和Al‑Fe界面处的过渡层焊丝，从而有效控制上述界面处脆性相的生成。

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种Fe-Al-Fe过渡接头电弧3D打印用材料，还涉及一种Fe-Al-Fe过渡接头电弧3D打印用焊接方法。

背景技术

铝-钢(Al-Fe)结构普遍存在于工程实际中：船体铝合金上层建筑于船体甲板钢结构之间的焊接连接接头；电解铝行业，电极铝导杆和钢抓的过渡结构。这些都涉及到铝-钢异种结构的连接。目前，常规的铝-钢异种结构是采用保证焊接的方式制备。爆炸焊接在制备大面积层状金属复合板方面具有优势，上述铝-钢(Al-Fe)或者是钢-铝-钢(Fe-Al-Fe)异种接头目前也通常是采用爆炸焊接的方式制备。但是，对于一些形状复杂、尺寸较小的铝-钢异种结构，爆炸焊接工艺存在很大的局限性。而近几年发展的电弧3D打印技术，成为了钢-铝-钢(Fe-Al-Fe)异种结构制备理想的选择。

从Al-Fe二元相图可知，Al和Fe反应将生成多种金属间化合物，这些金属间化合物脆性较大，当其在焊缝中含量较高时，将导致接头严重开裂。因此，制备钢-铝-钢(Fe-Al-Fe)异种结构，首要任务是控制Al-Fe脆性相的生成及其含量。综合国内外关于铝-钢异种接头连接的成功案例，并结合课题组前期研究成果，设计双层过渡的连接形式，即在钢-铝和铝-钢界面处设计不同的过渡模式，通过多种合金元素的添加，综合调控焊缝中相组成、相比例和晶粒尺寸。

在此基础上，考虑铝和钢之间熔点的巨大差异(铝的熔点为667℃，钢的熔点为1545℃)，在电弧3D打印过程中采用不同的焊接工艺进行钢-铝和铝-钢界面的连接，最终实现钢-铝-钢(Fe-Al-Fe)过渡接头的3D打印制备。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种Fe-Al-Fe过渡接头电弧3D打印用材料，专门用于解决Fe-Al界面、Al-Fe界面脆性金属间化合物生成导致的接头开裂问题。

本发明的第二个目的是提供一种Fe-Al-Fe过渡接头电弧3D打印用焊接方法。

本发明所采用的第一个技术方案是，Fe-Al-Fe过渡接头电弧3D打印用焊接材料，包括Fe-Al侧药芯焊丝和Al-Fe侧药芯焊丝；

Fe-Al侧药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Mg粉30～40％，Zn粉30～40％，Sc粉3～5％，Zr粉3～5％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。

Al-Fe侧药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Ag粉30～40％，Cr粉20～30％，Mn粉20～30％，Er粉3～5％，其余为Cu粉，以上组分质量百分比之和为100％。

本发明的特征还在于，

Fe-Al侧药芯焊丝，焊皮为纯铝带，厚度0.3mm，宽度7mm。

Al-Fe侧药芯焊丝，焊皮为纯铜带，厚度0.3mm，宽度7mm。

Fe-Al侧药芯焊丝的具体步骤如下：

步骤1：按质量百分比分别称取药粉：Mg粉30～40％，Zn粉30～40％，Sc粉3～5％，Zr粉3～5％，其余为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％；

步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为100-150℃，保温时间为1-3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为1-3h；