金属/纳米氧化物合金化方法增强高强钢焊缝的工艺及机理研究

There exist some problems for weld joint of high strength steel, such as the different chemical composition of weld deposits with steel. So using new alloying ways to refine, uniform and purify microstructure is the key to improve the welding joint performance. The metal-nanoxides alloying method will be put forward in this study. Based on computational materials science and phase transformation theory, the equilibrium thermodynamic behavior of metal-oxide alloying systems will be calculated and the phase transformation under non-equilibrium welding conditions will be analyzed, which can be used to optimize metals and oxides alloying system. After pretreating to the adopted nonmaterial through mechanical and chemical dispersion technology, the welding materials with nanomaterial layer will be prepared using nano-composite coating method. The metallurgical reactions and transition characteristics of nonmaterial will be analyzed. The effects of nanoparticles and nanocoating parameters on welding process performance and mechanical properties will be discussed. The role of new type of metal oxide alloying will be studied to achieve microstructure control and performance optimization of welding joint which will meet the requirements of the new type steel.In addition,the research will help to develop high quaility welding consumables and environment friendly welding process with low cost.

高强微合金钢在焊接过程中存在焊缝金属难以在相同化学成分下与母材具有良好匹配的问题，因此采用新型合金化方式来细化、均匀化及洁净组织是改善焊接接头性能的关键。本项目提出新型金属-纳米氧化物合金化方法，以计算材料学和相变理论为基础，对金属-氧化物合金体系进行热力学平衡计算及焊接非平衡条件下相变规律试验，确定最优金属-氧化物合金体系；采用机械和化学表面改性方法对纳米氧化物进行预处理，设计并优化有机/无机-纳米氧化物涂层溶液配方及涂层制备工艺，通过纳米复合涂层技术实现焊芯/焊丝表面涂层制备，研究纳米氧化物在焊接高温中的化学冶金过程，分析其过渡特性，探讨涂层对焊接工艺及力学性能的影响；研究新型金属-氧化物合金化方法对晶粒尺寸、相变特性及成分净化的作用，实现对焊缝组织的控制及性能的优化，为开发高质量焊接材料提供技术保证，从而实现绿色、环保、低能耗焊接。

近年来迅猛发展的新一代钢铁材料对焊接工艺及材料提出了更高要求。由于焊缝很难在相同化学成分条件下呈现与母材相同的组织和性能，因此采用新型合金化方式实现焊缝金属的组织细化、均匀化及洁净化是改善焊缝性能的关键。. 本项目提出新型金属/纳米氧化物复合合金化方法，采用热力学计算及物理模拟优化了添加TiO2、Al2O3、MgO和稀土氧化物的合金体系；通过复合涂层技术实现了焊接材料表面的纳米氧化物涂层制备，研究了涂层的组织性能以及焊接工艺性能，优化了涂层制备工艺；对纳米氧化物在焊接中的过渡特性进行分析，探讨了纳米氧化物在熔敷金属中的存在形式以及对焊缝组织的细化、净化作用；对金属/纳米氧化物复合体系熔敷金属的相变规律进行分析，研究了纳米氧化物对针状铁素体或超低碳贝氏体组织的转变过程的影响，探讨了金属/纳米氧化物的强韧化机理。. 本项目的研究结果表明焊缝中纳米氧化物的最佳含量为0.2~2%；通过对纳米氧化物的包覆预处理以及复合涂层工艺优化，制备了焊芯/丝表面的氧化物复合涂层，实现了纳米氧化物向焊缝的均匀过渡，所制备涂层焊丝具有良好的电弧稳定性及熔滴过渡特性；焊缝中所添加的纳米氧化物由于其高熔点及高稳定性，消除了粗大的柱状晶，细化了一次组织，同时促进了其它单一氧化物及硫化物在其周围的吸附，形成了含Mn、Si、O、S等元素、平均尺寸0.2-0.7μm的球形复合夹杂物。由于夹杂物的形核作用以及初生相的连锁形核效应，焊缝中生成了大量交错分布的细小针状铁素体，铁素体板条长度约为1~2μm；添加纳米氧化物的焊缝具有良好力学性能，其冲击韧性达到了120~200 J/cm2，比无氧化物添加的焊缝冲击韧性提高一倍。. 本项目研究成果对于解释金属/纳米氧化物合金体系熔敷金属的相变特性及组织转变机理，明确纳米氧化物在焊接过程中的过渡特性、存在形式以及对焊缝组织细化、均匀化及洁净化的作用具有重要的理论意义，在设计开发高质量、高洁净度和高强韧性焊缝合金体系方面具有良好的应用前景和经济效益。