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    鎢合金與鋼焊接研究進(jìn)展

    2022-01-07 03:34:40陳國慶滕新顏邢紫麒張秉剛曹慧
    焊接 2021年11期
    關(guān)鍵詞:熔焊中間層釬料

    陳國慶, 滕新顏, 邢紫麒, 張秉剛, 曹慧

    (1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué),先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001;2. 北京航天新立科技有限公司,北京 100000)

    0 前言

    鎢及鎢合金具有耐濺射腐蝕、硬度高、熱穩(wěn)定性良好和電子發(fā)射能力強(qiáng)等優(yōu)異的性能,是重要的面向等離子體材料及軍事材料,近年來被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、武器裝備、機(jī)械等領(lǐng)域[1-3]。但鎢同時(shí)也存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度高、再結(jié)晶溫度低的缺點(diǎn),造成鎢在低溫區(qū)綜合性能較差,同時(shí)其密度大、成本高,不利于輕量化與降低成本,在實(shí)際應(yīng)用中常和鋼等結(jié)構(gòu)材料連接制成結(jié)構(gòu)件[4],例如制造核聚變反應(yīng)堆的偏濾器[5],目前主要的連接方法為釬焊、擴(kuò)散焊2種。近年來隨著鎢/鋼接頭的大量應(yīng)用,逐步引起了國內(nèi)外學(xué)者的重視,鎢與鋼焊接研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值[6]。文中由鎢與鋼的焊接性出發(fā),對(duì)釬焊、擴(kuò)散焊等方法在鎢與鋼焊接領(lǐng)域研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié),并展望了各方法的發(fā)展方向。

    1 鎢與鋼焊接性分析

    室溫下純鎢與鋼主要熱物理性能及力學(xué)性能見表1,它們之間焊接主要存在以下幾類問題。

    表1 20 ℃母材主要熱物理性能及力學(xué)性能

    鎢及鎢合金與鋼熱物理參數(shù)差異大,見表1,鎢合金熔點(diǎn)、彈性模量遠(yuǎn)高于鋼,熱膨脹系數(shù)約為鋼的1/3,其他參數(shù)如熱導(dǎo)率也有較大差異,直接焊接會(huì)產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力[7]。

    鎢及鎢合金與鋼焊接易生成金屬間化合物,在較高的連接溫度下,鎢易于擴(kuò)散進(jìn)入鋼中,與Fe生成FeW,F(xiàn)e2W金屬間化合物,同時(shí)鎢也會(huì)與C生成金屬碳化物,增大接頭脆性,降低接頭強(qiáng)度[8]。

    鎢及鎢合金高溫下對(duì)雜質(zhì)氣體極為敏感,鎢室溫下是體心立方結(jié)構(gòu),韌脆轉(zhuǎn)變溫度高,高溫下會(huì)嚴(yán)重氧化,并且與氮反應(yīng)生成氮化物,增大低溫脆性,因此焊接過程需要良好保護(hù)[9-10]。

    在熔焊時(shí),鎢凝固速度快,難以形成有效熔池,孔隙率高,電子束焊接能降低孔隙率,但焊縫仍存在脆性大等問題,而鎢合金的焊接性優(yōu)于純鎢的焊接性,在純鎢中加入合金元素鈦和鑭可以有效地改善純鎢的焊接性[2]。

    2 鎢與鋼焊接現(xiàn)狀

    由于鎢及鎢合金與鋼熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)差異巨大,而且接頭中容易產(chǎn)生大量金屬間化合物,因此熔焊類方法難以應(yīng)用,僅有少量關(guān)于鎢極氬弧焊、激光焊、電子束焊的研究,鎢及鎢合金與鋼主要采用釬焊、擴(kuò)散焊進(jìn)行連接。為了抑制殘余應(yīng)力,減少金屬間化合物的產(chǎn)生,目前釬焊、擴(kuò)散焊的研究熱點(diǎn)為中間層的設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)改進(jìn)與釬料成分設(shè)計(jì),鈦中間層、釩中間層、鈮中間層、鎳中間層及它們的組合結(jié)構(gòu)都是常見的中間層,涂層技術(shù)也被應(yīng)用與鎢薄層與鋼的連接。

    2.1 釬焊

    釬焊時(shí)母材處于固相狀態(tài),液態(tài)釬料可以流動(dòng)潤濕待焊接面,有利于難熔金屬的焊接。鎢-鋼體系的釬焊連接通常在真空爐中進(jìn)行,采用Ni基、Ti基等潤濕性和流動(dòng)性較好的高溫釬料,使用溫度范圍與鎢和鋼的熱處理溫度相吻合,常用于鎢與鋼的釬焊[11]。

    Chehtov等人[12]采用BrazeTec135作為釬料對(duì)WL10-EUROFER97鋼進(jìn)行連接,如圖1所示,接頭由鋼擴(kuò)散層、殘余釬料層、鎢擴(kuò)散層3部分組成,在近鎢端存在少量垂直于界面的裂紋,主要是由于鎢的熱膨脹系數(shù)約為鋼的1/3,在釬焊熱循環(huán)過程中,易導(dǎo)致低熱膨脹系數(shù)端產(chǎn)生殘余應(yīng)力甚至開裂[13]。

    圖1 WL10-EUROFER97鋼釬焊接頭形貌

    為了減小殘余應(yīng)力,Kalin等人[14]采用50Fe-50Ni合金作為中間層來實(shí)現(xiàn)鎢/鋼體系的連接,在釬焊接頭經(jīng)歷100次熱循環(huán)后,對(duì)接頭組織的研究結(jié)果表明,熱循環(huán)后單晶鎢/鋼接頭仍保持緊密結(jié)合,如圖2所示。理論計(jì)算表明接頭熱應(yīng)力可達(dá)到800 MPa,與鎢的抗拉強(qiáng)度相當(dāng),但50Fe-50Ni合金中間層的添加使熱應(yīng)力發(fā)生松弛,保證了接頭的穩(wěn)定性,對(duì)設(shè)備的壽命與可靠性具有重要意義[15]。

    圖2 熱循環(huán)后單晶鎢/鋼接頭橫截面

    瞬時(shí)液相焊結(jié)合了釬焊與固相擴(kuò)散焊技術(shù)的優(yōu)勢(shì),降低了連接溫度與時(shí)間,有利于減小殘余應(yīng)力,對(duì)母材影響較小。在純鎢/ODS鋼焊接過程中,固相擴(kuò)散焊焊后易在鎢側(cè)集中產(chǎn)生殘余應(yīng)力,促進(jìn)裂紋擴(kuò)展,導(dǎo)致接頭失效,而瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊中因殘余釬料層的存在能夠釋放部分殘余應(yīng)力,有利于提高接頭強(qiáng)度[16]。與單一中間層相比,復(fù)合中間層更有利于緩解應(yīng)力,采用Cu/W-Ni/Ni復(fù)合中間層對(duì)鎢與不銹鋼進(jìn)行瞬時(shí)液相焊,焊后接頭在剪切試驗(yàn)中呈現(xiàn)韌性斷裂特征,強(qiáng)度達(dá)到256 MPa[17]。由于鎢與銅不生成金屬間化合物,因此Ma等人[18]首先通過鎳基釬料將鋼與銅中間層連接,接著加入Ti中間層,采用瞬態(tài)液相擴(kuò)散焊連接銅與鎢,連接過程中的液相降低了對(duì)表面清潔度的要求,復(fù)合中間層避免了有害金屬間化合物的產(chǎn)生,使連接界面結(jié)合良好,接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到412 MPa。

    以上釬焊方法為真空爐中整體加熱,都存在母材晶粒粗化的問題,也無法精確調(diào)控能量輸入。而激光釬焊技術(shù)精確可控,可實(shí)現(xiàn)局部的高速均勻加熱,減小熱影響區(qū)與焊接時(shí)間,獲得高性能的焊接接頭。Munez等人[19]以55Ni-45Ti合金作為釬料,采用激光釬焊實(shí)現(xiàn)了鎢合金與ODS鋼的連接。但焊接過程中未能完全排除空氣,導(dǎo)致接頭處生成了TiN,剩余較多的Ni又促進(jìn)了NiTi和Ni3Ti的生成,惡化了接頭性能。

    電子束釬焊采用真空保護(hù),避免了雜質(zhì)氣體干擾,同時(shí)常見的晶態(tài)釬料熔點(diǎn)高,會(huì)導(dǎo)致釬焊層變脆,使接頭的韌性降低,而非晶箔帶熔點(diǎn)低,潤濕性、延展性更好,可以適應(yīng)不同形狀的接頭[20],因此郭雙全等人[4]在鎢與低活化鋼真空電子束釬焊試驗(yàn)中,采用20 μm的非晶態(tài)Ti基釬料與Ni基釬料進(jìn)行連接,結(jié)果表明使用Ti基釬料的接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到233 MPa,而Ni基釬料達(dá)到了365 MPa。

    綜上所述,鎢合金與鋼直接釬焊時(shí),由于熱膨脹系數(shù)差異較大,會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力,甚至促使裂紋生成。通過采取溫度低、時(shí)間短的瞬時(shí)液相焊,或者加入單一中間層或復(fù)合中間層,都可以有效緩解殘余應(yīng)力。為了避免真空爐中整體加熱的不利影響,選擇局部加熱的激光釬焊或電子束釬焊,同時(shí)采用低熔點(diǎn)的非晶態(tài)釬料,可以顯著提升接頭強(qiáng)度。

    2.2 擴(kuò)散焊

    相較于釬焊,擴(kuò)散焊耗時(shí)較長,但接頭耐熱性好,連接溫度低,不會(huì)導(dǎo)致母材微觀結(jié)構(gòu)和相的改變,適合難熔金屬焊接。直接對(duì)鎢合金與鋼進(jìn)行擴(kuò)散連接,會(huì)在接頭處產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力,同時(shí)形成FeW,Fe2W金屬間化合物和金屬碳化物,甚至在接頭周圍引發(fā)裂紋[21-22],因此需要添加中間層。選擇塑形好、熱膨脹系數(shù)適中的中間層,在合適的連接溫度與時(shí)間下,可以有效抑制殘余應(yīng)力。同時(shí)在較低連接溫度下,鎢的空位擴(kuò)散機(jī)理不會(huì)激活,擴(kuò)散作用較弱,因此選擇與母材冶金相容性好的中間層,可以抑制金屬間化合物的產(chǎn)生[23]。常見的中間層有單層純金屬以及它們間的復(fù)合層,如釩、鎳、鈦、鈮、鈷等。

    2.2.1鈦中間層

    適當(dāng)厚度的鈦中間層可緩解殘余應(yīng)力,避免形成不利的Fe-W金屬間化合物[24]。Zhong等人[25]采用純鈦?zhàn)鳛橹虚g層,對(duì)鎢與F82H鋼進(jìn)行連接,研究表明W/Ti界面形成固溶體,成形良好,但Ti/F82H鋼界面處形成FeTi,Fe2Ti金屬間化合物,剪切強(qiáng)度僅為113 MPa。Jung等人[26]采用Ti作為填充層對(duì)鎢與不銹鋼進(jìn)行連接,結(jié)果顯示W(wǎng)/Ti界面結(jié)合良好,而Ti/不銹鋼界面由于馬氏體脫碳形成鐵素體,擴(kuò)散的鈦元素對(duì)鐵素體有穩(wěn)定化作用,最終產(chǎn)生了較為復(fù)雜的擴(kuò)散層與金屬間化合物。因此鈦中間層雖與鎢互溶性良好,但與鐵易產(chǎn)生金屬間化合物,對(duì)接頭性能不利。

    2.2.2釩中間層

    V與Fe,W均能形成固溶體,作為中間層能阻隔鎢的擴(kuò)散,避免Fe-W金屬間化合物產(chǎn)生。Basuki等人[27]對(duì)鎢和EUROFER97鋼進(jìn)行了添加V中間層的擴(kuò)散焊試驗(yàn),焊后接頭各界面成形良好,無微裂紋或金屬間化合物產(chǎn)生,接頭抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度達(dá)到264 MPa,但EUROFER97鋼/V界面處產(chǎn)生6 μm的V2C脆性碳化物層,拉伸時(shí)斷裂發(fā)生在此處。通過優(yōu)化工藝參數(shù),降低連接溫度與時(shí)間,減少了碳化物的生成數(shù)量,同時(shí)避免了中間層與鋼母材中的晶粒長大,最終抗拉強(qiáng)度達(dá)到332 MPa[28]。

    2.2.3鈮中間層

    鈮的塑形優(yōu)于釩,可以更有效緩解接頭殘余應(yīng)力,但與釩中間層類似,也存在脆性碳化物的問題,Basuki等人[29]采用純Nb作為中間層,使鎢/EUROFER97鋼擴(kuò)散焊接頭強(qiáng)度提升至272 MPa,但鈮/鋼界面也產(chǎn)生了鈮的碳化物。因此鈮中間層與鎢、鋼互溶性良好,但易于生成金屬碳化物,降低接頭強(qiáng)度。

    2.2.4鎳中間層

    純鎳的屈服強(qiáng)度低,根據(jù)相圖可以預(yù)測(cè)鎳與鐵互溶性良好,在合適的連接溫度與時(shí)間下,鎢也能固溶于鎳中,不易形成金屬間化合物與碳化物,是理想的中間層。Zhong等人[30-31]用純鎳做中間層連接純鎢和Fe-17Cr不銹鋼,通過對(duì)接頭的微觀組織研究,提出溫度與連接時(shí)間對(duì)金屬間化合物的形成均有影響。由于金屬間化合物的形成具有較長的潛伏期,采用較短的連接時(shí)間與較低的連接溫度,金屬間化合物即使在形核后也來不及生長,最后獲得了各界面成形良好,幾乎無金屬間化合物生成的接頭,如圖3所示,連接強(qiáng)度為215 MPa。但鎳的中子活化強(qiáng)度高,因此含鎳的接頭不適宜在核輻射環(huán)境下使用。

    圖3 純鎢和Fe-17Cr不銹鋼擴(kuò)散焊接頭形貌

    2.2.5復(fù)合中間層

    設(shè)計(jì)復(fù)合中間層可以避免脆性相與碳化物的形成,馬運(yùn)柱等人[32]采用釩/鎳復(fù)合中間層對(duì)鎢/鐵素體鋼進(jìn)行擴(kuò)散連接,由于鎳層的加入抑制了C元素向釩中擴(kuò)散,有效減少了金屬碳化物的生成,接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到164 MPa,遠(yuǎn)高于采用釩作為中間層的75 MPa,但鎳與釩間會(huì)形成含V-Ni金屬間化合物的脆性層,厚度達(dá)到12 μm,對(duì)接頭性能不利,為避免復(fù)合層內(nèi)部生成脆性反應(yīng)層,可采用冶金相容性好的材料制作復(fù)合中間層,例如采用鈷粉/鎳箔復(fù)合中間層來擴(kuò)散連接鎢與鋼,在連接過程中鈷粉與鎳箔互相擴(kuò)散形成鈷-鎳合金層,抑制了界面金屬擴(kuò)散,各個(gè)界面間結(jié)合良好,金屬間化合物較少,接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到186 MPa[33]。

    綜上所述,在中間層的選擇中,鈦中間層雖與鎢互溶性良好,但與鐵易產(chǎn)生金屬間化合物,鈮、釩中間層塑性較好,與鎢、鋼互溶性良好,但易于生成金屬碳化物,純鎳中間層或復(fù)合中間層配合適當(dāng)?shù)墓に噮?shù),可以緩解以上問題,但接頭強(qiáng)度與母材仍有較大差距。同時(shí)擴(kuò)散焊對(duì)工件表面狀況非常敏感,會(huì)嚴(yán)重影響接頭質(zhì)量,為了實(shí)現(xiàn)較低溫度下的連接,擴(kuò)散焊接時(shí)需要外加壓力,因此難以對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行焊接,進(jìn)一步限制了其應(yīng)用。

    2.3 熔焊

    由于鎢熔點(diǎn)極高,熔焊時(shí)需要采用能量密度高的焊接方法,主要有鎢極氬弧焊、激光焊與電子束焊。在熔焊過程中,由于熔化的鎢具有高粘度、高導(dǎo)熱性和高表面張力的特點(diǎn),因此流動(dòng)性較差,熔化后會(huì)很快凝固,導(dǎo)致孔隙率高,難以形成有效的熔池和焊縫,同時(shí)熔焊冷卻速度快,容易造成較大的焊后殘余應(yīng)力,因此在熔焊領(lǐng)域的研究遠(yuǎn)少于釬焊與擴(kuò)散焊。

    2.3.1鎢極氬弧焊

    在熔焊方法中,鎢極氬弧焊簡便易行,利用氬氣對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù),可以在一定程度上克服空氣的污染,焊接時(shí)易于控制,熱輸入較小。交流脈沖氬弧焊與直流氬弧焊相比,在保證熔深的條件下,焊接參數(shù)范圍較寬,熱輸入更小,熱影響區(qū)較小。鎢合金與鋼熔點(diǎn)差異大,難以同時(shí)熔化形成有效熔池,而熔釬焊可避免高熔點(diǎn)母材界面的過度反應(yīng),有利于熔點(diǎn)差異大的異種材料焊接[34-35],因此楊宗輝等人[36]采用交流TIG熔釬焊的方式對(duì)鎢合金與鋼進(jìn)行焊接,研究表明氬氣對(duì)焊接熔池的保護(hù)能力有限,容易吸收氮?dú)庋鯕獾入s質(zhì)氣體,使接頭脆性增大,同時(shí)焊接熱影響區(qū)較大,焊縫附近晶粒粗化嚴(yán)重,使得鎢母材脆化,在拉伸試驗(yàn)中斷裂發(fā)生在焊縫附近的鎢內(nèi)部,如圖4所示,斷口為典型的解理斷裂,接頭抗拉強(qiáng)度僅為167 MPa。

    圖4 鎢/鋼接頭拉伸試樣斷口形貌

    2.3.2高能束焊接

    激光焊是一種高能束焊接方法,相比鎢極氬弧焊,它具有能量密度極高、高溫區(qū)停留時(shí)短的特點(diǎn),適用于各類難熔金屬焊接[37-38]。段新燕等人[39]采用激光焊對(duì)93W4.9Ni2.1Fe鎢合金和40CrNiMo高強(qiáng)合金鋼進(jìn)行了焊接,研究表明焊縫寬度在2~3 mm之間,熱影響區(qū)寬度為2 mm。與弧焊相比,激光焊熱輸入較小,有利于減少金屬間化合物的生成,抑制熱影響區(qū)晶粒長大,但焊接過程在空氣中進(jìn)行,鎢在高溫下會(huì)與氧、氮反應(yīng),增大接頭脆性。

    電子束焊接利用能量密度極高的電子束作為熱源,而真空室隔絕了雜質(zhì)氣體,在難熔金屬的焊接中具有優(yōu)勢(shì)[40]。通過束流震蕩偏擺,有助于焊縫形成熔池并減少晶粒長大,通過焊前預(yù)熱,焊接時(shí)加壓并采用稍寬的焊縫和稍低的焊接速度,也有助于焊縫成形,但焊縫依然存在脆性大、孔隙率高的問題,可以采用類似熔釬焊的方式得到接頭[40-41],陳東亮等人[42]在電子束對(duì)接試驗(yàn)中,使電子束偏向低熔點(diǎn)金屬一側(cè)0.2 mm焊接,低熔點(diǎn)金屬熔化后填滿孔隙,形成了有效熔池,接頭成形良好。

    為了抑制鎢與異種合金的焊后殘余應(yīng)力,有學(xué)者對(duì)接頭進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)。Vieider等人[43]提出采用齒形焊縫對(duì)鎢進(jìn)行電子束焊接,可以有效減少殘余應(yīng)力。Weber等人[44]提出采用超高壓電阻燒結(jié),在接頭處制作鎢梯度材料后進(jìn)行焊接,有限元模擬結(jié)果表明,梯度材料有效減少了接頭在熱循環(huán)過程中的應(yīng)力積累,提高了接頭服役時(shí)間。

    綜上所述,熔焊過程中由于溫度高,冷卻速度快,造成不能形成有效熔池,產(chǎn)生殘余應(yīng)力等問題,因此相關(guān)研究較少。通過采用熔釬焊方法,可以形成熔池,得到有效接頭,采用梯度材料接頭、齒形焊縫能有效緩解殘余應(yīng)力。

    2.4 其他方法

    除了上述針對(duì)難熔金屬的常用焊接方法,國內(nèi)外學(xué)者還進(jìn)行了水下爆炸焊與涂層技術(shù)的研究。

    由于鎢具有一定脆性,而水下爆炸焊的特點(diǎn)是產(chǎn)生的水下沖擊波可以使薄板均勻加速,避免了常規(guī)爆炸焊在加速和碰撞過程中較大的變形,在鎢與鋼的連接領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)[45-46]。Mori等人[47]利用水下爆炸焊成功實(shí)現(xiàn)0.2 mm鎢箔與F82H鋼的連接,如圖5所示,鎢箔/F82H鋼界面擴(kuò)散層呈波浪狀,平均厚度約為2.5 μm,擴(kuò)散層內(nèi)成分連續(xù)變化,無硬脆相存在,沖擊測(cè)試結(jié)果顯示爆炸焊接頭具有極高的焊接強(qiáng)度,但現(xiàn)有研究成果表明,能成功應(yīng)用于水下爆炸焊的鎢厚度小于1 mm。

    圖5 爆炸焊接頭垂直焊接方向的截面鎢元素分布圖

    化學(xué)/物理氣相沉積[48-49]、等離子噴涂[50]、磁控濺射[51]等方法也能實(shí)現(xiàn)鎢與鋼的連接。例如等離子濺射方法,越靠近外表層孔越多, 孔隙率達(dá)到1.56%,涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度僅為9.68 MPa,隨著涂層增厚,噴涂所需時(shí)間快速增加, 噴涂過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也增大。因此涂層技術(shù)普遍存在孔隙率大,殘余應(yīng)力大,連接強(qiáng)度低,甚至開裂等問題[52]。

    3 結(jié)束語

    鎢合金與鋼焊接有利于結(jié)構(gòu)輕量化與降低成本,具有廣闊應(yīng)用前景。常用的釬焊與擴(kuò)散焊成本低,設(shè)備簡單,熔焊技術(shù)生產(chǎn)耗時(shí)短,接頭強(qiáng)度高,其他技術(shù)如爆炸焊等也能實(shí)現(xiàn)有效連接。通過加入中間層與優(yōu)化工藝參數(shù)等手段,可以提升接頭性能,但目前仍存在未解決的問題。

    目前的焊接技術(shù)存在各種問題,釬焊在高溫下整體加熱,存在晶粒粗化的問題;擴(kuò)散焊耗時(shí)較長,會(huì)生成金屬碳化物與金屬間化合物;熔焊溫度高,冷卻速度快,殘余應(yīng)力難以控制;能應(yīng)用于爆炸焊的鎢覆層厚度低,適用面窄,涂層技術(shù)連接強(qiáng)度不高。以上問題均對(duì)接頭性能進(jìn)一步提升帶來阻礙,接頭強(qiáng)度均顯著低于母材。

    鎢合金與鋼焊接還需進(jìn)一步研究,需要設(shè)計(jì)合適的中間層,抑制殘余應(yīng)力,避免金屬間化合物的生成,同時(shí)對(duì)新技術(shù)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證,重點(diǎn)為電子束、激光焊技術(shù)與非晶態(tài)釬料技術(shù),提升接頭性能,使鎢合金與鋼焊接結(jié)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)中獲得更廣泛應(yīng)用。

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