添加Mo-Ti-Zr填充層的鉬鑭釔合金電子束焊接特性分析

蔡立輝　于斌　王廷　蔣思遠

摘要：為了研究TZM合金（Mo-0.5Ti-0.1Zr）填充層對鉬鑭釔合金電子束焊接性的影響，分析了焊接接頭顯微組織和力學性能。結(jié)果表明，鉬鑭釔合金直接電子束焊接接頭焊后產(chǎn)生貫穿裂紋，而填加TZM合金后，實現(xiàn)了鉬鑭釔合金的有效焊接。Zr元素的加入降低了Mo的氧化物在晶界處的聚集程度，提高了晶界結(jié)合強度;接頭各區(qū)域顯微硬度不同，焊縫區(qū)顯微硬度與母材相當，為270～290 HV，兩側(cè)熱影響區(qū)顯微硬度最低。添加TZM合金后，鉬鑭釔合金電子束焊接接頭抗拉強度明顯提高，拉伸斷裂發(fā)生于焊縫區(qū)，為脆性沿晶斷裂模式。

關(guān)鍵詞：電子束焊接;鉬合金;合金元素;顯微硬度

中圖分類號：TG456.3文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0041-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.08

0 前言

鉬基難熔金屬具有膨脹系數(shù)小、導電和導熱性良好、高溫力學性能優(yōu)良等優(yōu)點[1]。添加彌散稀土氧化物的鉬鑭釔合金在1 400 ℃下仍能保持較高的強度和塑性，具有廣闊的應用前景[2]。

鉬合金的連接方法主要有電阻焊、鎢極氬弧焊、激光焊、電子束焊、摩擦焊、釬焊、擴散焊等[3]。電子束焊接具有能量密度高、焊接熱影響區(qū)小、真空保護氣氛等優(yōu)點，在焊接鉬等難熔金屬時具有獨特優(yōu)勢[4-5]。由于鉬在焊接時存在晶粒粗化、晶界脆化的問題，加入少量的Ti和Zr元素，可以起到固溶強化和彌散強化的效果[6]。加入Zr元素，可純化晶界，大幅提高接頭強度和韌性[7]。

由于鉬鑭釔合金中含氧量較高，會給其熔化焊接帶來困難，選用熔焊焊接性較好的TZM合金[8]作為填充金屬，進行鉬鑭釔合金的電子束焊接試驗，分析其接頭組織與力學性能。

1 試驗材料與方法

試驗所用待焊材料為鉬鑭釔合金（Mo-0.5La2O3-0.25Y2O3），規(guī)格50 mm×25 mm×3.5 mm。選用填充層材料為含TZM鉬合金（Mo-0.5Ti-0.1Zr），規(guī)格為50 mm×1.0 mm×3.5 mm。焊前將填充層預置于對接面內(nèi)（見圖1），試驗采用的焊接參數(shù)為：加速電壓70 kV，電子束流40 mA，焊接速度400 mm/min，束流作用于填充層中心，采用表面聚焦模式。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 鉬鑭釔合金電子束對焊接頭斷裂分析

圖2a為鉬鑭釔合金電子束焊縫表面形貌，焊后出現(xiàn)了貫穿裂紋，主要為沿晶裂紋（見圖2b）。由于母材中含氧量較高，在熔池冷卻過程中，氧易在晶界富集，形成與基體非共格的塊狀MoO2，導致晶界應力集中，降低了晶界結(jié)合強度，在焊接熱應力作用下產(chǎn)生沿晶裂紋，無法實現(xiàn)有效連接[6-9]。

2.2 添加TZM填充層的鉬鑭釔合金的電子束焊接

為防止產(chǎn)生貫穿裂紋，選用TZM鉬合金作為焊接填充層。一方面低含氧量TZM合金的加入，可起到稀釋熔池中氧含量的作用，另一方面Zr元素可以純化晶界，起到抑制沿晶裂紋產(chǎn)生的效果[7]。

2.2.1 焊接接頭的宏觀形貌

圖3a為加入TZM合金填充層的電子束焊接接頭表面形貌，焊縫成形美觀。圖3b為焊接接頭的橫截面形貌，焊縫整體呈現(xiàn)出典型的“平行”形狀。根據(jù)組織特征的不同，接頭橫截面分為母材（BM）、焊接熱影響區(qū)（HAZ）、熔合區(qū)（FZ）以及焊縫區(qū)（WZ）。

2.2.2 焊接接頭不同區(qū)域晶粒形態(tài)

圖3b中不同區(qū)域的微觀組織如圖4所示。母材呈現(xiàn)明顯的軋制特征，晶粒產(chǎn)生較大形變。熱影響區(qū)軋制晶粒在焊接熱循環(huán)作用下發(fā)生再結(jié)晶成為等軸晶粒并粗化。熔合區(qū)內(nèi)柱狀晶與熱影響區(qū)內(nèi)再結(jié)晶晶粒聯(lián)生生長。焊縫區(qū)內(nèi)為垂直于熔合線向熔池中心生長的粗大柱狀晶。在母材及熱影響區(qū)，O元素以La2O3及Y2O3的形式彌散分布在晶粒內(nèi)部，在焊縫區(qū)內(nèi)，La2O3及Y2O3熔入熔池，O元素在熔池內(nèi)以原子的形式存在，冷卻過程中易與其他元素反應形成氧化物，在晶界析出。

2.2.3 焊接接頭的元素分布

為分析重熔后元素在焊縫內(nèi)的分布，對焊縫內(nèi)合金元素分布進行了面掃描分析，如圖5所示。

由圖5b～5d可見，在焊縫區(qū)內(nèi)，母材中點狀分布的La2O3及Y2O3熔入液態(tài)熔池，Y、La、Ti元素在凝固過程中固溶到Mo基體內(nèi)，均勻分布在整個焊縫區(qū)。而O元素則發(fā)生了嚴重的偏析，除少量分布在晶內(nèi)，主要在晶界處聚集（見圖5e），O元素在晶界處主要以MoO2形式富集[6]。從圖5f可以看出，Zr元素主要在晶內(nèi)富集，在晶界處明顯降低。Zr元素在晶內(nèi)富集是因為ZrO2的吉布斯自由能明顯低于TiO2及MoO2，因此在焊接過程中溶解到熔池中的Zr元素會優(yōu)先與雜質(zhì)O元素發(fā)生反應，生成的ZrO2熔點較高，優(yōu)先形核凝固，最終主要分布在晶內(nèi)。ZrO2的生成消耗了O元素，可以減少晶界處氧化物析出的數(shù)量，提高晶界結(jié)合力[7]。

2.2.4 焊接接頭拉伸性能分析

對焊接接頭進行拉伸試驗，接頭拉伸位移載荷曲線如圖6所示，抗拉強度為310 MPa，約為母材的44%，接頭斷裂于焊縫區(qū)。相比于直接焊后開裂，加入填充層后，鉬鑭釔合金電子束焊接接頭抗拉強度明顯提高。這是因為低含氧量TZM合金的加入降低了焊縫區(qū)的O溶解度。其次，Zr元素的加入形成了高熔點的ZrO2分布于晶內(nèi)，進一步降低了晶界氧含量，增強晶界結(jié)合力，提高接頭強度[7]。加入中間層TZM合金電子束焊接的拉伸斷口形貌如圖7所示，斷裂方式仍以沿晶斷裂為主。雖然加入TZM合金后，晶界得到一定純化，但焊縫區(qū)晶界仍然存在較明顯的O元素偏析，使得接頭性能提升有限。

2.2.5 焊接接頭顯微硬度分布

填加TZM合金填充層的焊接接頭橫截面顯微硬度水平分布如圖8所示。

由圖8可知，在焊縫沿水平方向上，母材硬度高于300 HV，熱影響區(qū)的顯微硬度在200～220 HV之間，明顯低于母材硬度，主要是因為晶粒粗化所致。而焊縫區(qū)的顯微硬度在270～290 HV之間，高于熱影響區(qū)，這是因為Mo2C和ZrO2的沉淀相分布在焊縫區(qū)的晶粒內(nèi)，對焊縫起到強化作用[10]。由于焊縫區(qū)內(nèi)晶界處偏聚的氧化物與基體為非共格結(jié)合，會導致晶界結(jié)合較弱，大幅降低了焊縫區(qū)的拉伸性能[6]，因此拉伸時斷裂于晶界結(jié)合最弱的焊縫區(qū)，而非硬度最低的熱影響區(qū)。

3 結(jié)論

（1）鉬鑭釔合金電子束焊接后產(chǎn)生貫穿裂紋，無法實現(xiàn)連接。采用TZM合金作為填充金屬，實現(xiàn)了鉬鑭釔合金的電子束焊接，接頭強度達到310 MPa，斷裂于焊縫區(qū)，為沿晶脆性斷裂模式.

（2）母材晶粒為軋制特征，熱影響區(qū)內(nèi)晶粒發(fā)生再結(jié)晶長大，焊縫區(qū)內(nèi)主要為粗大的柱狀晶，點狀分布的La2O3及Y2O3消失，焊縫區(qū)硬度與母材相當，焊接熱影響區(qū)硬度最低。

（3）填加TZM合金后，降低了Mo的氧化物在晶界處的聚集程度，與直接焊接接頭相比，提高了晶界結(jié)合強度，改善了接頭性能，但由于晶界處氧化物仍存在，接頭性能提高有限。需增加合金元素的添加量，進一步純化晶界。

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