Mo與4340不銹鋼真空擴(kuò)散焊接的研究

陳良斌，朱 琦，魏 然，楊中岳，李 怡， 江 峰*，孫 軍

(1.西安交通大學(xué)金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)(2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077)(3.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

鉬具有熔點(diǎn)高、高溫性能好、導(dǎo)電導(dǎo)熱及抗熱震性能優(yōu)、抗磨損性能和抗腐蝕性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、石油、化工、電子和核工業(yè)等諸多領(lǐng)域[1]。但是，鉬的抗氧化性能差，限制其工程應(yīng)用。鉬在性能上與不銹鋼有著互補(bǔ)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)鉬與不銹鋼的連接可以發(fā)揮兩種材料的性能優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的不足，進(jìn)而拓寬鉬在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，因此開(kāi)展鉬與不銹鋼焊接技術(shù)的研究顯得尤為迫切和重要[2]。

目前，常采用熔化焊接方法焊接鉬與異種金屬，如電子束焊(EBW)[3-5]和鎢極氬弧焊(TIG)[6-7]等。但是由于鉬本身的一些特點(diǎn)，使得鉬在熔化焊接時(shí)存在許多問(wèn)題。首先，鉬具有低溫脆性和易氧化的特點(diǎn)，對(duì)氣體雜質(zhì)氧、碳和氮異常敏感。在熔化焊接過(guò)程中，氣體雜質(zhì)很容易與鉬形成淬硬相并在晶界處偏析，導(dǎo)致焊接接頭的脆化。其次，由于鉬與異種金屬的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)相差很大，在熔化焊接后冷卻過(guò)程產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致焊接裂紋傾向大，降低了焊接接頭的力學(xué)性能。第三，在熔化焊接過(guò)程中，熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致顯微結(jié)構(gòu)的變化，如晶粒長(zhǎng)大等。因此，由氣體雜質(zhì)污染引起的性能變化和由熔化加熱過(guò)程引起的顯微結(jié)構(gòu)的變化以及由此引起的焊接接頭的內(nèi)應(yīng)力，是熔化焊接方法焊接鉬所面臨的主要問(wèn)題。本文采用真空擴(kuò)散焊接的方法來(lái)焊接鉬與4340不銹鋼，獲得了質(zhì)量較好的焊接接頭。并且試驗(yàn)表明：當(dāng)采用Ni箔作為過(guò)渡層來(lái)擴(kuò)散焊接鉬和4340不銹鋼時(shí)，接頭的剪切強(qiáng)度可以提高一倍多。本方法為鉬的焊接應(yīng)用提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)，有利于擴(kuò)大鉬的應(yīng)用范圍。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用材料為商用純Mo 99.95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、4340鋼(主要成分如表1所示)，過(guò)渡層材料為20 μm厚的純鎳箔99.95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，所用材料基本物理性能如表2所示。將鉬板切割為直徑為21 mm，厚度為3.5 mm的圓片；4340不銹鋼切割成直徑為21 mm，厚度為4.5 mm的圓片。將要焊接的表面分別用200#、400#、800#、1 200#，砂紙進(jìn)行打磨，然后用0.5 μm粒徑的拋光劑拋光。焊接前將焊接試樣放進(jìn)盛有丙酮的燒杯中，用超聲清洗掉試樣表面附著的污染物并在空氣中干燥。將處理后的試樣用高溫?zé)釅簾Y(jié)爐(ZRYS2300)進(jìn)行恒溫恒壓擴(kuò)散焊接，分成鉬和4340不銹鋼直接擴(kuò)散(簡(jiǎn)稱：Mo-4340)和加鎳箔過(guò)渡層擴(kuò)散(簡(jiǎn)稱：Mo-Ni-4340)兩組進(jìn)行。

表1 4340鋼主要化學(xué)成分

表2 試樣材料基本性能

擴(kuò)散焊接工藝如圖1所示,包括以下4步：1)以18 ℃/min的速度由室溫升溫至900 ℃；2)以5 ℃/min的速度升溫至950 ℃；3)以2 ℃/min的速度逐漸升溫至1 000 ℃并同時(shí)開(kāi)始加40 MPa的壓力；4)保溫1 h后撤掉壓力并隨爐冷卻至室溫。

圖1 擴(kuò)散焊接工藝原理圖

把焊接后的接頭加工成8 mm×3 mm×2 mm的試樣，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的夾具(如圖2所示)測(cè)試接頭的剪切強(qiáng)度，兩種接頭每種至少測(cè)試5個(gè)試樣，然后取平均值。用顯微硬度計(jì)(KV-1000)對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)試，所有硬度測(cè)試均在加載200 g、保載15 s的條件下進(jìn)行。采用掃描電子顯微鏡(SEM SU6600)對(duì)焊接接頭的硬度測(cè)試壓痕形貌及剪切斷口進(jìn)行觀察，并使用能譜儀(EDX)分析元素在焊接接頭的擴(kuò)散情況。

圖2 焊接接頭剪切強(qiáng)度測(cè)試夾具1—壓蓋；2—壓頭；3—緊固螺栓；4—樣品；5—上模；6—下模；7—衣座

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭區(qū)微觀分析

圖3為Mo-4340[圖3(a)和圖3(c)]和Mo-Ni-4340[(圖3(b)和圖3(d)]擴(kuò)散焊接接頭背散射電子掃描圖像以及其線掃描能譜圖。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可以看出，Mo-4340擴(kuò)散層存在明顯的未焊合區(qū)，而Mo-Ni-4340擴(kuò)散層不存在未焊合區(qū)，擴(kuò)散層整體質(zhì)量良好。并且在兩種接頭上都出現(xiàn)了由于柯肯達(dá)爾效應(yīng)出現(xiàn)的微孔。由圖3(a)和圖3(c)分析可知，Mo-4340擴(kuò)散焊接接頭可以分為3部分，即：Mo基體、擴(kuò)散層(如圖3(c)中Ⅰ區(qū))和4340不銹鋼基體。Mo-4340擴(kuò)散層又可以分為兩個(gè)部分：靠近Mo側(cè)擴(kuò)散層和靠近4340不銹鋼側(cè)擴(kuò)散層，擴(kuò)散層總體厚度大約為7.5 μm， 其中靠近Mo側(cè)擴(kuò)散層厚度大約為5 μm，而靠近4340不銹鋼側(cè)擴(kuò)散層大約為2.5 μm。說(shuō)明Fe原子向Mo基體擴(kuò)散比Mo原子向4340不銹鋼基體擴(kuò)散容易得多。特別地，在Mo-4340擴(kuò)散層中間處存在厚度大約為2 μm，Mo原子與Fe原子質(zhì)量比大約為3∶2的區(qū)域，經(jīng)過(guò)查閱Fe-Mo相圖，此處狹小區(qū)域內(nèi)形成了μ相，如圖3(c)所示。Mo-Ni-4340接頭和Mo-4340接頭一樣，也可以分為3部分，即：Mo基體、擴(kuò)散層和4340基體。但是，由于加入了Ni箔作為過(guò)渡層，擴(kuò)散層沒(méi)有出現(xiàn)未焊合區(qū)，焊接質(zhì)量得到明顯提高，擴(kuò)散層厚度大約為50 μm。由圖3(d)可知，Mo-Ni-4340擴(kuò)散層可分為 Mo-Ni擴(kuò)散層，Ni層，Ni-4340擴(kuò)散層3部分組成，其中Ni-4340擴(kuò)散層厚度(30 μm)比Mo-Ni擴(kuò)散層厚度(9 μm)大2倍多，說(shuō)明Ni和Mo相互擴(kuò)散要比Ni和4340不銹鋼相互擴(kuò)散要困難的多，這是因?yàn)镹i的原子半徑(0.162 nm)跟Mo原子半徑(0.201 nm)相差太大，Ni和Mo只能有限固溶；相比而言，F(xiàn)e原子半徑(0.124 nm)跟Ni原子半徑比較相近，兩者可以無(wú)限固溶。

圖3 鉬和4340不銹鋼擴(kuò)散焊接接頭微觀形貌以及能譜分析(a)和(c)Mo-4340焊接接頭微觀形貌及能譜分析，(b)和(d)Mo-Ni-4340焊接接頭微觀形貌及能譜分析

2.2 接頭區(qū)的硬度測(cè)試

Mo-4340鋼接頭擴(kuò)散層附近硬度測(cè)試結(jié)果如圖4(a)所示。由于在Mo-4340鋼接頭擴(kuò)散層形成了Fe-Mo的高硬度高脆性的金屬間化合物μ相，因此在擴(kuò)散層中間位置硬度達(dá)到最高為480 HV，從中間擴(kuò)散層到兩邊4340不銹鋼和Mo基體，硬度逐漸減小。Mo-Ni-4340接頭擴(kuò)散層硬度分布有著與Mo-4340接頭相同的趨勢(shì)，都是從擴(kuò)散層中間向兩邊逐漸減小。但是，Mo-Ni-4340接頭擴(kuò)散層硬度最大值要低很多，最高為365 HV，如圖4(b)所示。說(shuō)明加入Ni箔作為過(guò)渡層后，避免了高硬度的Fe-Mo金屬間化合物的生成，降低了硬度梯度，并且Ni與Mo、Fe主要以固溶體的形式存在于擴(kuò)散層中，這將減小接頭的脆性傾向，有利于接頭力學(xué)性能的提高。

圖5為硬度測(cè)試后焊接接頭擴(kuò)散層背散射電子掃描圖。由圖5(a)分析可知，在經(jīng)過(guò)維氏硬度測(cè)試后，Mo-4340接頭擴(kuò)散層出現(xiàn)了裂紋。這說(shuō)明了Mo直接與4340不銹鋼焊接得到的接頭結(jié)合強(qiáng)度不高。 而添加Ni箔作為過(guò)渡層后得到的焊接接頭，即使在經(jīng)過(guò)維氏硬度測(cè)試后，擴(kuò)散層仍然保持良好，沒(méi)有明顯的裂紋出現(xiàn)，只在某些變形大的地方出現(xiàn)微裂紋，如圖5(b)所示。

圖4 擴(kuò)散層附近硬度分布(a)Mo-4340擴(kuò)散層硬度分布；(b)Mo-Ni-4340擴(kuò)散層硬度分布

圖5 硬度測(cè)試后焊接接頭擴(kuò)散層背散射電子掃描圖(a)Mo-4340接頭擴(kuò)散層；(b)Mo-Ni-4340接頭擴(kuò)散層

2.3 焊接接頭剪切強(qiáng)度測(cè)試及斷口形貌觀察

經(jīng)測(cè)試，Mo-4340接頭和Mo-Ni-4340接頭剪切強(qiáng)度分別91 MPa和196 MPa，說(shuō)明加Ni箔進(jìn)行擴(kuò)散焊接后，接頭的剪切強(qiáng)度提高了116%。剪切測(cè)試的試樣斷裂位置基本都在焊接接頭擴(kuò)散層附近，斷口均比較平齊，斷口微觀形貌如圖6所示。由圖6可知，Mo-4340接頭剪切斷口表面的撕裂痕較淺且面積少；而加Ni箔后焊接接頭剪切斷口表面撕裂痕明顯深，面積也增多，說(shuō)明加Ni箔后，提高了焊接質(zhì)量，界面結(jié)合更加緊密。

圖6 剪切斷口微觀形貌(a)Mo-4340接頭Mo側(cè)斷口；(b)Mo-4340接頭4340鋼側(cè)斷口；(c)Mo-Ni-4340鋼接頭Mo側(cè)斷口；(d)Mo-Ni-4340鋼接頭4340鋼側(cè)斷口

3 結(jié) 論

本文通過(guò)使用真空擴(kuò)散焊接方法對(duì)不加過(guò)渡層和加鎳箔過(guò)渡層的Mo-4340不銹鋼焊接接頭的研究，可以得到以下結(jié)論：

(1) Mo-4340不銹鋼直接焊接時(shí)在擴(kuò)散層出現(xiàn)部分未焊合區(qū)，而加Ni箔過(guò)渡層時(shí)，擴(kuò)散層與Mo和4340不銹鋼全部焊合且結(jié)合良好。鎳箔過(guò)渡層可顯著提高擴(kuò)散焊接質(zhì)量。

(2) 焊接接頭的維氏硬度從擴(kuò)散層向兩邊的Mo和4340不銹鋼基體逐漸減小。維氏硬度測(cè)試后不加過(guò)渡層接頭擴(kuò)散層出現(xiàn)明顯的裂紋，而加Ni箔過(guò)渡層的焊接接頭擴(kuò)散層沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，說(shuō)明加鎳箔過(guò)渡層進(jìn)行擴(kuò)散焊接可以提高焊接接頭強(qiáng)度。

(3) 加Ni箔過(guò)渡層后焊接接頭的剪切強(qiáng)度從91 MPa提高到196 MPa，提高了115%。

[1] 張全孝，劉全利，熊曉松，等.鉬合金在結(jié)構(gòu)件應(yīng)用方面的發(fā)展[J].兵器材料科學(xué)與工程，2001,24(4):58-60.

[2] 楊秦莉，王 林，朱 琦，等.鉬及鉬合金焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].熱加工工藝，2012，41(19)：163-166.

[3] 潘際鑾，王之倫，潘妙良.鉬的電子束焊接[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，1964,11(2)：15-34.

[4] 李 鑫，張品源.合金鉬焊接影響因素的初步分析[J].中國(guó)原子能科學(xué)研究院年報(bào)，1999(1):57-59.

[5] 李 鑫，張品源.鉬及鉬合金焊接的工藝研究[J].稀有金屬材料與工程，2001，30(1)：152-156.

[6] Fukuhisa Matsuds, Masao Ushio, Kazuhiro Nakata.Weldability of molybdenum and its alloy sheet [J].Transactions of JWRI, 1990,19(1):69-78.

[7] Jiang Qinglei, Li Yajiang, UApuchkov.Microstructure characteristic in TIG weldedjoint of Mo-Cu composite and 18-8 stainless steel [J].Int Joumal of Refractory Metals & Hard Materials，2010(28):429-433.

[8] 傅 莉，杜隨更.鉬粉末合金與模具鋼摩擦焊接組織特征分析[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,19(4)：557-561.

[9] Anddrzej Ambroziak.Friction welding of molybdenum to molybdenum and to other metals [J].Int Jounal of Refractory Metals and Hard Materials，2011(29):462-469.

[10] 李 寧，趙興保，文玉華,等.一種含活性元素Ti適合釬焊鉬及其合金的錳基釬料:CN200710050808.0[P].2008-05-08.