鋼/鈮焊接接頭金屬間化合物生長機(jī)制及調(diào)控研究現(xiàn)狀

石銘霄，陳書錦，胡慶賢，周方明，王威林，趙 健

（1.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003；2.中國石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院，四川成都610017；3.上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海201620）

鋼/鈮焊接接頭金屬間化合物生長機(jī)制及調(diào)控研究現(xiàn)狀

石銘霄1，陳書錦1，胡慶賢1，周方明1，王威林2，趙 健3

（1.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003；2.中國石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院，四川成都610017；3.上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海201620）

鋼/鈮焊接結(jié)構(gòu)在航空航天工業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，但是鋼/鈮焊接接頭極易生成金屬間化合物（IMC），顯著降低接頭性能，因此開展IMC生長機(jī)制及其調(diào)控措施的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。簡要介紹國內(nèi)外IMC生長機(jī)制及其調(diào)控措施的研究現(xiàn)狀，指出模擬法在IMC生長機(jī)制的研究中顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢和潛力，是未來IMC生長機(jī)制研究發(fā)展的方向。并指明能量-冶金聯(lián)合調(diào)控是抑制接頭IMC生長的有效解決方案。

鋼；鈮；金屬間化合物；生長機(jī)制；調(diào)控

0 前言

不銹鋼具有強(qiáng)度高、塑性和耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的諸多部件[1]。鈮合金具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)性和高溫耐蝕性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，是極具發(fā)展前景的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料[2]。采用鋼/鈮復(fù)合焊接結(jié)構(gòu)，用鈮合金局部代替不銹鋼，可以提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度、減輕質(zhì)量，使航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的推重比。但由Fe-Nb二元合金相圖可知，F(xiàn)e和Nb的互溶度極低，二者之間極易生成脆性金屬間化合物（Intermetallic Compound，IMC）Fe2Nb和Fe7Nb6，顯著降低接頭性能。因此研究焊接接頭的IMC生長機(jī)制及其控制措施，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 鋼/鈮焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀及分析

近年來國內(nèi)外的焊接工作者投入了大量的精力研究鋼/鈮異種金屬的焊接。爆炸焊是鋼/鈮焊接中最常用的方法。有研究表明[3-5]，利用爆炸焊焊接鋼與鈮，可以得到高強(qiáng)度的焊接接頭，甚至實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)結(jié)合。但是爆炸焊主要用于生產(chǎn)復(fù)合板、復(fù)合棒等層狀金屬復(fù)合材料，存在接頭形式單一的問題。熔釬焊、釬焊也是研究較多的鋼/鈮焊接方法，文獻(xiàn)[6-7]研究了鋼/鈮電子束熔釬焊的結(jié)合層，分析互擴(kuò)散層的組織、成分和性能的變化。文獻(xiàn)[8]開展鋼/鈮電子束釬焊研究，利用物理-數(shù)學(xué)模型分析焊接熱過程和擴(kuò)散互作用過程。齊立君等人[9]選用鎳基釬料研究了鋼與鈮的高溫真空釬焊，結(jié)果表明，采用合適的工藝參數(shù)可以獲得成形美觀、真空密封性能好、抗熱沖擊性能優(yōu)良的釬焊接頭。采用熔釬焊和釬焊進(jìn)行鋼/鈮焊接雖然取得了一定的效果，但是接頭強(qiáng)度低是熔釬焊和釬焊迫切需要改進(jìn)和完善的地方。

綜上所述，目前鋼/鈮焊接主要采用爆炸焊、熔釬焊、釬焊等方法。但是爆炸焊無法避免接頭形式受限的問題，而熔釬焊和釬焊的接頭強(qiáng)度普遍偏低。高能束焊具有熱輸入小、焊接能量和加熱位置精確可控等特點(diǎn)，是當(dāng)前異種金屬焊接的主要方法之一。采用高能束作為熱源，通過預(yù)置填充金屬對(duì)焊縫組織進(jìn)行冶金調(diào)控，輔之以高能束能量耦合控制，消除層狀I(lǐng)MC，有望從根本上解決鋼與鈮的焊接難題。

2 IMC生長機(jī)制研究現(xiàn)狀及分析

異種金屬焊接時(shí)，接頭中極易生成IMC，嚴(yán)重惡化接頭性能。因此，研究焊接接頭IMC生長機(jī)制具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)階段，研究主要集中在以下兩個(gè)方面。

2.1 焊接接頭反應(yīng)產(chǎn)物研究

主要研究接頭中生成的IMC的類型和結(jié)構(gòu)特征，分析IMC對(duì)接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律。目前對(duì)于鋁/鋼焊接接頭反應(yīng)產(chǎn)物的研究是最廣泛最深入的。各國學(xué)者研究了鋁/鋼接頭中鋁-鐵IMC的種類和晶體結(jié)構(gòu)，并分析其對(duì)接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律[10-13]。結(jié)果表明，鋁-鐵IMC中富Fe相的塑性較富Al相有明顯改善，綜合力學(xué)性能也優(yōu)于后者。因此，對(duì)于焊接接頭來說，增加鋁-鐵IMC中富Fe相的比例有利于改善接頭力學(xué)性能。隨著鈦、鈮等輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料在航空航天工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，鈦/鋼、鈮/鋼的焊接也被大量研究。文獻(xiàn)[14-16]研究表明，鈦/鋼焊接時(shí)，接頭中生成的IMC主要為Fe2Ti和FeTi，它們是接頭開裂的根本原因。文獻(xiàn)[6]對(duì)Nb-1Zr合金與304不銹鋼進(jìn)行了電子束熔釬焊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)e2Nb是引起接頭脆化的主要原因。Budkin等人[8]開展了鋼/鈮電子束釬焊研究，結(jié)果表明，通過控制焊縫區(qū)域溫度場，可以降低IMC出現(xiàn)的幾率。

2.2 接頭反應(yīng)的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析

研究集中于擴(kuò)散焊、爆炸焊、攪拌摩擦焊、熔釬焊和釬焊等焊接方法。主要研究內(nèi)容為判斷接頭中IMC生成的可能性和先后順序，探討其生長動(dòng)力學(xué)特征。根據(jù)冶金熱力學(xué)可知，化學(xué)反應(yīng)前后系統(tǒng)Gibbs自由能的變化量ΔG可作為反應(yīng)進(jìn)行難易程度的判據(jù)：當(dāng)ΔG＜0時(shí)，反應(yīng)才能夠自發(fā)進(jìn)行，且ΔG越小，反應(yīng)越容易進(jìn)行。目前主要就是根據(jù)這一原理預(yù)測接頭反應(yīng)產(chǎn)物。界面反應(yīng)層生長動(dòng)力學(xué)行為的研究長期以來受到廣泛重視。目前，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為界面IMC層的生長是由體擴(kuò)散控制，因此生長速率近似服從拋物線規(guī)律。文獻(xiàn)[17-18]研究發(fā)現(xiàn)，不僅界面IMC層的生長符合拋物線規(guī)律，而且IMC層的互擴(kuò)散系數(shù)滿足Arrhenius方程。文獻(xiàn)[19]的研究表明，界面反應(yīng)時(shí)間t有一臨界值to，當(dāng)tto時(shí)，界面IMC層的生長將近似服從準(zhǔn)線性規(guī)律。

綜上所述，雖然目前國內(nèi)外已經(jīng)廣泛開展了IMC生長機(jī)制的研究，并且取得了一些研究成果，但是通過試驗(yàn)手段所能獲取的IMC演化信息非常有限，難以揭示IMC生長的完整動(dòng)力學(xué)過程。若能采用模擬方法再現(xiàn)焊接接頭中IMC的形成和長大過程，并與試驗(yàn)研究相互補(bǔ)充和印證，將有助于全面理解IMC的演化規(guī)律及其影響因素。目前常用的顯微組織模擬方法主要有數(shù)值模擬和物理模擬，其中數(shù)值模擬又可分為蒙特卡羅法、元胞自動(dòng)機(jī)法、相場法等。相場法是利用與時(shí)間和空間有關(guān)的場變量來描述系統(tǒng)中顯微組織的演化過程，系統(tǒng)的顯微組織演化基于自由能最低原理，其驅(qū)動(dòng)力是演化過程中系統(tǒng)自由能的降低[20]。場變量可分為非守恒量和守恒量。對(duì)于非守恒量，例如相場變量，其隨時(shí)間的變化規(guī)律遵循Allen-Cahn方程；對(duì)于守恒量，例如成分場變量，其隨時(shí)間的變化規(guī)律遵循Cahn-Hillard方程。與其他顯微組織模擬方法相比，相場法能夠避免跟蹤各種界面，而且可以耦合溫度場、流場等各種外部場，具有物理意義明確、模擬結(jié)果直觀準(zhǔn)確等特點(diǎn)，在顯微組織的數(shù)值模擬中顯現(xiàn)出巨大優(yōu)勢，為異種金屬焊接接頭IMC演化和生長動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬提供了一種新思路。已有學(xué)者采用相場法初步研究了純金屬焊接熔池中顯微組織的演變過程[21]，取得了較好的效果，證明將相場法用于焊接接頭顯微組織模擬是切實(shí)可行的。對(duì)金屬材料的熱加工工藝來說，物理模擬通常指利用小試件，借助于熱模擬裝置再現(xiàn)材料在熱加工過程中的組織演變過程。物理模擬能夠充分而精確地揭示材料在熱加工過程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，從而為制定合理的熱加工工藝提供理論依據(jù)，在熱加工領(lǐng)域特別是在焊接領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。焊接接頭顯微組織的物理模擬研究是利用焊接熱模擬裝置在試件上施加與實(shí)際焊接過程相同或相似的熱循環(huán)，使試件發(fā)生與接頭特定部位相同或近似的顯微組織轉(zhuǎn)變[22]。大量的試驗(yàn)研究證明模擬的顯微組織轉(zhuǎn)變過程與實(shí)際接頭相應(yīng)部位的組織轉(zhuǎn)變過程吻合良好[23]。

3 IMC控制方法研究現(xiàn)狀及分析

異種金屬焊接存在的主要問題是焊縫中生成IMC，引起接頭脆化。因此，對(duì)IMC進(jìn)行控制是異種金屬焊接亟待解決的另一重要問題。目前主要從能量控制和冶金控制兩方面入手解決。能量控制是對(duì)能量在兩種母材上的分布進(jìn)行控制，從而控制兩種母材的熔化量，改善焊縫的冶金條件，該方法主要通過控制焊槍移動(dòng)或偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。冶金控制是通過在兩種母材的對(duì)接面處填充與兩者皆相溶的金屬箔片來改善接頭的冶金性能，消除或抑制接頭中IMC的生成[24]，目前主要是通過預(yù)置的方法添加過渡金屬，如機(jī)械鑲嵌、表面熔覆、熱噴涂、堆焊等方法。但是單純依靠能量控制或冶金控制很難從根本上解決接頭脆性大的問題，因此將能量控制和冶金控制結(jié)合起來對(duì)接頭中的IMC進(jìn)行調(diào)控，無疑是一種更為合理和有效的控制方法。其基本原理是從化學(xué)性能和熱物理性能匹配的角度出發(fā)，選擇和設(shè)計(jì)合理的填充金屬體系，結(jié)合偏束、掃描等能量控制方法，改善焊縫的冶金性能，從而抑制接頭中脆性IMC的生長。

4 結(jié)論

（1）目前主要采用爆炸焊、熔釬焊、釬焊等方法焊接鋼與鈮。但是爆炸焊無法避免接頭形式受限的問題，而熔釬焊和釬焊的接頭強(qiáng)度普遍偏低。高能束焊憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢有望從根本上解決鋼與鈮的焊接難題。

（2）通過試驗(yàn)手段獲取的IMC演化信息非常有限，難以揭示IMC生長的完整動(dòng)力學(xué)過程。模擬法在IMC生長機(jī)制的研究中顯現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢和潛力，是未來IMC生長機(jī)制研究發(fā)展的方向。

（3）單純依靠能量控制或冶金控制很難從根本上解決接頭脆性大的問題，因此將能量控制和冶金控制結(jié)合起來對(duì)接頭中的IMC進(jìn)行調(diào)控，無疑是一種更有效的解決方案。

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Page 11淺韌窩。表明摩擦壓力為35 MPa時(shí)，由于熱輸入不足，導(dǎo)致焊縫存在較大面積的未焊合區(qū)。

3 結(jié)論

采用較高摩擦壓力進(jìn)行T2純銅線性摩擦焊接，可以獲得拉伸強(qiáng)度與母材接近的焊接接頭。但相比鈦合金等材料，T2純銅塑性好、導(dǎo)熱快，焊接過程接頭易形成較寬的軟化區(qū)，導(dǎo)致界面金屬塑性流動(dòng)差，焊接面局部易出現(xiàn)漩渦狀流線、未焊合孔洞及夾雜缺陷。因此，對(duì)導(dǎo)熱和塑性較好的材料進(jìn)行線性摩擦焊接時(shí)，選取參數(shù)不僅要考慮熱輸入大小，還應(yīng)考慮熱輸入速度，以獲得無缺陷、高質(zhì)量的接頭。

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Research status on growth mechanism and regulation of intermetallic compound of welded joint of steel/niobium

SHI Mingxiao1，CHEN Shujin1，HU Qingxian1，ZHOU Fangming1，WANG Weilin2，ZHAO Jian3
（1.School of Materials Science and Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China；2.Engineering Technology Research Institute，PetroChina Southwest Oil&Gas Field Company，Chengdu 610017，China；3.School of Materials Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

The welded structure of steel/niobium has broad application prospect in the aerospace industry，but the welded joint of steel/ niobium can easily generate intermetallic compound(IMC)which will significantly reduce the performance of joint，so there is great theoretical and practical significance to study the growth mechanism and regulation measures of IMC.The research status of growth mechanism and regulation measures of IMC is briefly introduced.It is pointed out that the simulation method has great advantages and potential in the research of IMC growth mechanism，which is the future development direction of study of IMC growth mechanism.And it's pointed out that energy-metallurgy combined regulation is an effective solution to inhibit the growth of IMC.

steel；niobium；intermetallic compound；growth mechanism；regulation

TG401

A

1001－2303（2017）05－0012-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.03

2017-03-06

國家自然科學(xué)基金（51605205）；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（15KJB460009）

石銘霄（1982—），男，講師，博士，主要從事新材料及異種材料高能束焊接的研究工作。E-mail：smx_just @163.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：石銘霄，陳書錦，胡慶賢，等.鋼/鈮焊接接頭金屬間化合物生長機(jī)制及調(diào)控研究現(xiàn)狀[J].電焊機(jī)，2017，47（05）：12-15.