異種合金慣性摩擦焊的研究現(xiàn)狀

劉瑩瑩，李潔潔，田萬濤，吳方林，譚千輝

(1.西安建筑科技大學(xué)，西安 710055；2.鐵科院工程咨詢有限公司，北京 100081；3.山西風(fēng)雷鉆具有限公司，山西 侯馬 043013)

0 前言

隨著航空航天等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)新材料、新工藝等方面提出了更為苛刻的要求。采用異種合金構(gòu)件可以充分發(fā)揮兩種材料各自的性能優(yōu)勢(shì)且成本較低，因此在航空航天、汽車制造等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。目前，異種金屬的焊接方法主要有熔焊和固相焊，其中慣性摩擦焊(Inertia friction welding，IFW)是固相焊接的一種，與熔焊相比可有效避免由于金屬熔化和凝固所產(chǎn)生的組織偏析、氣孔及裂紋等缺陷，適合焊接性能差異較大的異種材料[1]，在汽車、石油化工、船舶、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子及渦輪等發(fā)熱部件的制造中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[2]。

目前，對(duì)鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金等同質(zhì)材料慣性摩擦焊接頭的組織性能研究較多，但對(duì)異種合金慣性摩擦焊的研究相對(duì)較少。文中對(duì)鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金等異種合金之間的慣性摩擦焊接頭的組織性能等方面進(jìn)行了綜述，提出了異種合金慣性摩擦焊存在的主要問題及后續(xù)研究工作的重點(diǎn)，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 鋼與其他合金

鋼具有強(qiáng)度高、塑性好等優(yōu)點(diǎn)，常用于橋梁、建筑方面等領(lǐng)域。目前采用異種鋼、鋼/銅合金等制成的異種合金結(jié)構(gòu)件常用于核電設(shè)備、軌道交通和航空航天等領(lǐng)域。

1.1 異種鋼

吳瑋等人[3]對(duì)304不銹鋼與42CrMo鋼進(jìn)行了慣性摩擦焊，焊接過程如圖1所示[3]，可以看出焊縫無明顯氣孔、裂紋等缺陷，焊接界面呈圓弧狀，飛邊左右對(duì)稱，且42CrMo側(cè)飛邊較304不銹鋼側(cè)大；焊接界面發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散，有少量碳化物生成；焊縫組織為細(xì)小的等軸晶粒，其強(qiáng)度和硬度均高于母材，且抗拉強(qiáng)度最大為687.55 MPa，均在304不銹鋼母材處發(fā)生韌性斷裂。

圖1 304不銹鋼/42CrMo鋼慣性摩擦焊焊接過程

在慣性摩擦焊接時(shí)旋轉(zhuǎn)速度決定了焊接的能量輸入，決定了接頭的成形好壞。秦國(guó)梁等人[4]在45鋼/37CrMnMo的慣性摩擦焊研究中，指出旋轉(zhuǎn)速度為520 r/min和560 r/min時(shí)，接頭成形較好，飛邊呈圓弧狀卷曲且分布均勻；利用分層能量估計(jì)法，推導(dǎo)出最佳旋轉(zhuǎn)速度為548 r/min。Xu等人[5]指出1045碳鋼/30CrMnSiNi2A慣性摩擦焊接接頭的拉伸強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加呈先增后降趨勢(shì)：當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為2 200 r/min時(shí)，接頭強(qiáng)度和塑性較高，這是因?yàn)闊彷斎胼^高導(dǎo)致焊接界面發(fā)生了板條馬氏體、貝氏體、超細(xì)鐵素體和滲碳體的相變，使得焊縫的強(qiáng)度和韌性得到提高；而當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 000 r/min時(shí)，在焊縫處發(fā)生斷裂，這主要與熱輸入較低及焊接界面存在夾雜物等有關(guān)。

1.2 鋼/銅合金

Wang等人[6-9]在35CrMnSi/T3Cu慣性徑向摩擦焊的研究中指出，在焊接界面處發(fā)生了Fe和Cu元素的擴(kuò)散且產(chǎn)生了少量的FeCu4和Cu9Si金屬間化合物。當(dāng)飛輪旋轉(zhuǎn)速度為3 000 r/min時(shí)，焊接界面形成了明顯的波浪狀“咬合”，金屬間化合物的含量降低，接頭性能良好。Mumin等人[10]提出AISI 304/Cu慣性摩擦焊接接頭的抗拉強(qiáng)度隨摩擦?xí)r間和摩擦壓力的增加而增加；當(dāng)摩擦?xí)r間為8.5 s，壓力為75 MPa時(shí)，接頭的性能最佳。Kurt等人[11]研究了壓力和時(shí)間對(duì)AISI 1010/ASTMB 22鋁青銅慣性摩擦焊的影響，結(jié)果表明接頭硬度隨著壓力的增大不斷增大，而隨頂鍛壓力、時(shí)間的增加不斷降低；焊接過程中，在銅側(cè)發(fā)生了塑性變形，這主要與鋁青銅的屈服強(qiáng)度低和熱傳導(dǎo)率高有關(guān)。

2 鋁合金與其他合金的連接

鋁及鋁合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于航空、航天、電工、電子技術(shù)等領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)鋁合金/不銹鋼、異種鋁合金之間、鋁合金/鎂合金等異種合金連接件的需求日益增多，尤其在航空航天、汽車、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.1 鋁合金/不銹鋼

在鋁合金/不銹鋼慣性摩擦焊時(shí)，焊接界面均發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散，產(chǎn)生了少量的以FeAl，F(xiàn)eAl3，F(xiàn)e2Al5為主的金屬間化合物[12-17]，而焊接工藝參數(shù)的選取、端面的設(shè)計(jì)等均影響了焊接接頭金屬間化合物的生成。Taban等人[13-15]分別對(duì)6061-T6/AISI 1018鋼、2A14/0Cr18Ni9Ti鋁合金進(jìn)行了慣性摩擦焊，通過優(yōu)化焊接參數(shù)，可有效控制金屬間化合物層的厚度，得到強(qiáng)度與鋁母材相當(dāng)、質(zhì)量較好的接頭。王世路[15]還指出旋轉(zhuǎn)速度為1 100 r/min，摩擦壓力為180 MPa時(shí)，接頭強(qiáng)度可以達(dá)到鋁合金母材的75%，為321.5 MPa。范如源等人[16]通過添加中間過渡層的方法，實(shí)現(xiàn)了F6鋁合金和HR-2抗氫鋼的有效連接，并且指出金屬間化合物的厚度在高旋轉(zhuǎn)速度和短時(shí)間時(shí)可得到有效控制。Ashfaq等人[17]對(duì)AISI304不銹鋼端面進(jìn)行無錐度、外錐度和內(nèi)錐度的設(shè)計(jì)如圖2所示[17]。結(jié)果表明，當(dāng)采用外錐度為15°時(shí)，AA6061鋁合金的燒損量最低，接頭強(qiáng)度最高，這是因?yàn)樵摱嗣嬖黾恿藘煞N材料的接觸面積，使得鋁合金可以更好地流動(dòng)，有助于焊接界面中雜質(zhì)和金屬間化合物等有害物質(zhì)更好地被擠出，從而改善了接頭的性能，得到了質(zhì)量?jī)?yōu)良的接頭。

圖2 基材棒設(shè)計(jì)示意圖

2.2 鋁合金與其他合金

吳瑋等人[18]研究了焊接參數(shù)對(duì)7A04/6061異種鋁合金慣性摩擦焊的影響。結(jié)果表明，當(dāng)摩擦旋轉(zhuǎn)速度3 100 r/min，頂鍛旋轉(zhuǎn)速度2 000 r/min，摩擦壓力2 MPa，頂鍛壓力2.5 MPa時(shí)，接頭組織為細(xì)小的等軸晶，其焊縫的硬度最高，抗拉強(qiáng)度與6061母材相當(dāng)。Lu等人[19]研究了旋轉(zhuǎn)速度對(duì)7005/5083異種鋁合金慣性摩擦焊接接頭強(qiáng)度的影響，指出接頭抗拉強(qiáng)度隨旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為3 000 r/min時(shí)，強(qiáng)度可達(dá)5083鋁合金母材的88%。Kimura等人[20-21]研究了7A04/AZ31鎂合金的慣性摩擦焊，均觀察到焊接界面產(chǎn)生了少量的以Mg17Al12和Mg2Al3為主的金屬間化合物。文獻(xiàn)[21]以鋅合金為中間層，實(shí)現(xiàn)了鋁和鎂合金的有效結(jié)合，金屬間化合物層的厚度隨摩擦壓力的增加而減少，而抗拉強(qiáng)度不斷增大，且在摩擦壓力為124 MPa時(shí)最大，為96 MPa。

袁毅[22]研究了旋轉(zhuǎn)速度和壓力對(duì)7A04/T2紫銅環(huán)的影響，結(jié)果表明，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為4 100 r/min，頂鍛旋轉(zhuǎn)速度為2 000 r/min，頂鍛壓力和摩擦壓力分別為8.0 MPa和4.0 MPa時(shí)，焊接界面產(chǎn)生塑性變形層、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、元素?cái)U(kuò)散互溶，實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合，形成了質(zhì)量穩(wěn)定的接頭。Lee等人[23]指出Al/Cu慣性摩擦焊接頭金屬間化合物的厚度隨退火時(shí)間和溫度的增加而增加，而抗拉強(qiáng)度不斷減小；當(dāng)參數(shù)選擇合適時(shí)，金屬間化合物的厚度得到了較好地控制，接頭的質(zhì)量得到改善。

3 鈦合金與其他合金的連接

鈦及鈦合金具有強(qiáng)度高、耐蝕性能優(yōu)異、焊接性良好等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于船舶、航空航天、核能、石油化工等領(lǐng)域。目前，異種鈦合金、鈦合金/低碳鋼、鈦合金/鎂合金等結(jié)構(gòu)件被廣泛應(yīng)用于船舶、載人深潛、化學(xué)化工、海洋工程、航空航天等領(lǐng)域。

3.1 異種鈦合金

王欽偉等人[24]研究了TC4/TC11慣性摩擦焊接頭組織性能。結(jié)果表明，在焊接過程中，焊縫組織發(fā)生了明顯細(xì)化，出現(xiàn)亞晶粒和一定量的再結(jié)晶晶粒，而熱影響區(qū)組織其母材相似，但晶粒尺寸略大于母材。賀建超等人[25]研究了焊態(tài)和熱處理對(duì)TC17/Ti600鈦合金慣性摩擦焊接接頭組織的影響如圖3所示，結(jié)果表明在焊態(tài)下，TC17側(cè)晶界及α相發(fā)生扭曲變形，且β晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成了細(xì)小的等軸晶，而熱處理后組織為細(xì)小的層片狀α相；Ti600側(cè)發(fā)生了再結(jié)晶形成細(xì)小的由片層狀α相和β亞穩(wěn)態(tài)相組成的等軸晶粒，經(jīng)熱處理后組織為針狀α相，且α相長(zhǎng)大；接頭的硬度最高且強(qiáng)度與Ti600母材相當(dāng)。

圖3 焊態(tài)/熱處理后Ti600/TC17鈦合金慣性摩擦焊接頭顯微組織

趙張龍等人[26]通過慣性摩擦焊與等溫變形相結(jié)合的方法制備出IMI834/Ti6246雙鈦合金縮比盤。結(jié)果表明，經(jīng)慣性摩擦焊后焊縫組織細(xì)小，但兩側(cè)熱影響區(qū)組織粗大，這是因?yàn)殡p合金縮比盤內(nèi)部存在缺陷，導(dǎo)致其熱影響區(qū)組織粗大；而通過等溫變形處理后可有效消除焊后缺陷，明顯改變兩側(cè)熱影響區(qū)的組織，得到的焊縫組織更加細(xì)小且均勻。

3.2 鈦合金/鋼

Li等人[27]研究了熱處理對(duì)TC4/316L不銹鋼慣性摩擦焊接接頭組織性能的影響。TC4鈦合金側(cè)發(fā)生了足夠變形，界面為凸形，且產(chǎn)生了較大的飛邊，而316L不銹鋼側(cè)為凹形，這主要是因?yàn)門C4鈦合金中心位置的溫度較低，而在邊緣位置的溫度較高，形成了凸形界面，而316L不銹鋼剛好相反；焊縫的硬度高于母材；焊態(tài)下接頭的拉伸強(qiáng)度僅為117 MPa，而通過熱處理后接頭強(qiáng)度達(dá)到419 MPa。然而，由于金屬內(nèi)部存在的缺陷在機(jī)加工后變成表面裂紋，從而引起了應(yīng)力集中，降低了試樣的強(qiáng)度，即使通過焊后熱處理強(qiáng)度仍相對(duì)較弱，且在界面處產(chǎn)生TiC，Cr23C6，F(xiàn)eTi，F(xiàn)e2Ti等脆性相，接頭發(fā)生脆性沿晶斷裂。

Kimura等人[28]研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)低碳鋼/Ti-6Al-4V慣性摩擦焊接接頭的連接情況，得知采用較高的鍛造壓力可實(shí)現(xiàn)焊接界面的完全連接，較高的摩擦壓力和適當(dāng)?shù)哪Σ習(xí)r間可以防止金屬化合物層的產(chǎn)生。Kumar等人[29-30]均采用中間過渡層的方法，研究了TC4/304L不銹鋼慣性摩擦焊工藝。文獻(xiàn)[29]以純銅為中間層可以明顯改善鈦/鋼接頭的脆性，拉伸強(qiáng)度最大可達(dá)370 MPa。文獻(xiàn)[30]通過對(duì)304L不銹鋼表面電鍍一層純Ni層，從而提高接頭的拉伸強(qiáng)度，但會(huì)在焊接界面產(chǎn)生TiNi低脆性相，導(dǎo)致接頭在鈦/鎳界面發(fā)生脆性斷裂，所以需要更近一步地探索和研究。

3.3 鈦合金與其他合金

文恒玉等人[31-32]研究了摩擦壓力對(duì)ZK60鎂合金/純鈦慣性摩擦焊接接頭的影響，得知在焊接過程中焊接界面發(fā)生了Mg，Zr和Zn元素的遷移，形成了一層薄的TiZn16，Mg0.91Zn0.03和MgZn2等金屬間化合物反應(yīng)層，對(duì)焊接界面有一定的影響；隨摩擦壓力的增加，接頭的硬度呈先增后降趨勢(shì)，但均高于母材，而抗拉強(qiáng)度不斷增大，且在摩擦壓力為60 MPa時(shí)達(dá)到最大，為鎂合金母材的58%。當(dāng)焊接參數(shù)選取合適時(shí)，可有效降低其金屬化合物的厚度，從而改善接頭的性能。傅莉等人[33]研究了外加電磁場(chǎng)對(duì)TC4/LD10鋁合金慣性摩擦焊接接頭組織性能的影響，結(jié)果表明外加電磁場(chǎng)促進(jìn)了焊接界面的元素的擴(kuò)散，提高了接頭的拉伸強(qiáng)度。

4 高溫合金與其他合金的連接

高溫合金是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵材料，主要以鎳基高溫合金為主，廣泛應(yīng)用于航空、航天、動(dòng)力和石油化工等行業(yè)中。為滿足復(fù)雜的工況條件和節(jié)約成本的要求，常采用焊接技術(shù)將鎳基高溫合金與其它金屬(合金鋼、新型高溫合金等)連接起來，用于制造高推比航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤等熱端部件。

4.1 K418鎳基高溫合金/合金鋼

目前，對(duì)K418鎳基高溫合金與42CrMo合金鋼的慣性摩擦焊的相關(guān)研究表明，均可得到強(qiáng)度與母材相當(dāng)、質(zhì)量良好的焊接接頭[34-38]。其中，杜隨更等人[34]在焊接界面處C元素從K418側(cè)向42CrMo側(cè)發(fā)生偏移且與其他元素結(jié)合形成碳化物，從而降低了接頭的性能，可通過改善界面的溫度來控制碳化物的生成。陳大軍等人[35]在二級(jí)壓力作用下，縮短了焊接時(shí)間，元素?cái)U(kuò)散受到限制、碳化物減少，得到的接頭強(qiáng)度均大于750 MPa，接頭性能良好。丁煜瀚等人[36-37]指出由于初始動(dòng)能的增加，界面溫度升高，C元素從42CrMo向K418側(cè)擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合和機(jī)械咬合，抗拉強(qiáng)度呈先增后降的趨勢(shì)；當(dāng)初始飛輪動(dòng)能為50.6 kJ時(shí)，抗拉強(qiáng)度為42CrMo母材的88%。

Luo等人[38]在慣性摩擦焊接過程中通入電流(CIFW)，提高了界面結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度由388 MPa提高到549 MPa，這是由于摩擦熱和電阻熱的相互作用，縮短了焊接時(shí)間，增大了接頭內(nèi)元素?cái)U(kuò)散區(qū)的寬度，促進(jìn)了元素?cái)U(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了K418與42CrMo之間的局部咬合、機(jī)械互鎖和擴(kuò)散連接的結(jié)合，形成了波浪形的界面結(jié)構(gòu)，且飛邊形狀也有所變化，由“襪子筒形”飛邊轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂硇巍憋w邊如圖4所示。但是，通入電流的慣性摩擦焊不能保證產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，不適合大批量生產(chǎn)。

圖4 K418-42CrMo異種金屬摩擦焊接頭的組織及外觀形貌

李石賢等人[39-40]為了阻礙接頭邊緣熱塑性材料向外溢出，對(duì)其焊接界面進(jìn)行了約束設(shè)計(jì)，研究了不同界面約束對(duì)其接頭組織性能的影響。李石賢[39]指出，接頭的顯微硬度、抗拉強(qiáng)度及焊接界面元素?cái)U(kuò)散的寬度，均隨著界面約束的增加呈先增后降的趨勢(shì)。支飛博[40]設(shè)計(jì)了平面和臺(tái)階兩種類型的約束如圖5所示，同時(shí)建立了熱、力多物理場(chǎng)耦合的慣性摩擦焊接模型模擬了焊接過程。結(jié)果表明，在相同焊接工藝參數(shù)下，隨界面約束的增加，焊接界面變得復(fù)雜，使得兩種材料的結(jié)合面積增加，元素?cái)U(kuò)散數(shù)量增多，實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合，從而提高了接頭的強(qiáng)度；顯微硬度值整體呈上升趨勢(shì)，其中臺(tái)階約束的效果更加明顯。

圖5 約束方案示意圖

4.2 異種高溫合金

張春波等人[41-44]分別研究了GH4169/FGH96鎳基粉末高溫合金慣性摩擦焊。指出，GH4169和FGH96這兩種金屬相互嵌入、交錯(cuò)，界面呈曲面狀分布；無論采用哪一種焊接工藝參數(shù)，得到的焊縫組織均為細(xì)小的等軸晶粒，接頭硬度呈“W形”分布，抗拉強(qiáng)度隨著壓力或旋轉(zhuǎn)速度的增大不斷增大，最大可達(dá)母材的80%。

張傳臣等人[45-46]的研究表明，K447A/GH4169慣性摩擦焊時(shí)，在GH4169一側(cè)產(chǎn)生了飛邊；經(jīng)熱處理后，焊縫組織為細(xì)小的γ″和γ′相，其抗拉強(qiáng)度與K447A母材相當(dāng)。Daus等人[47]研究了RR1000/IN718異種材料慣性摩擦焊接接頭裂紋擴(kuò)展性能的影響。結(jié)果表明，裂紋由RR1000擴(kuò)展至IN718，且在RR1000側(cè)近焊縫區(qū)的擴(kuò)展速率較快，這與晶界氧化物有關(guān)。Huang等人[48]在IN718/720Li的慣性摩擦焊接接頭中未發(fā)現(xiàn)微孔和微裂紋等缺陷，且在720Li側(cè)具有更寬的熱影響區(qū)和更高的硬度，這主要與合金中γ′增強(qiáng)相以及熱處理后析出的γ′相含量增多有關(guān)，而IN718側(cè)由于γ″相粗化導(dǎo)致其硬度降低如圖6所示。

Tiley等人[49-52]研究了Mar-M247/LHSR的慣性摩擦焊，Tiley等人[49]指出由于LSHR合金中細(xì)小的γ″和γ′沉淀物的再次沉淀導(dǎo)致焊縫附近LSHR側(cè)硬度較高。Senkov等人[50]指出界面的熱輸入能量對(duì)試樣燒損量、焊接時(shí)間、焊縫界面附近溫度分布和焊縫質(zhì)量具有重要影響，當(dāng)能量為79 MJ/m2時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)LSHR和Mar-M247合金良好的冶金結(jié)合；還闡明了慣性摩擦焊接效率隨軸向壓縮力、焊接總能量和飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的減小而降低[51]。并對(duì)Mar-M247合金進(jìn)行局部預(yù)熱處理，焊接界面的塑性流動(dòng)和自清潔能力得到提高，兩側(cè)形成較大的飛邊，焊縫質(zhì)量得到提高[52]。

圖6 720Li/IN718的IFW接頭硬度分布

5 結(jié)束語(yǔ)

在異種金屬慣性摩擦焊的研究方面，目前可采用合理選擇工藝參數(shù)、設(shè)計(jì)不同形狀的端面、添加中間過渡層、焊前預(yù)熱處理、焊后熱處理等方法獲得強(qiáng)度與母材相當(dāng)、焊接質(zhì)量較好的接頭。然而，關(guān)于異種合金慣性摩擦焊的工藝參數(shù)優(yōu)化、端面優(yōu)化設(shè)計(jì)、焊接界面金屬的流動(dòng)行為、焊接界面金屬間化合物的控制等方面研究還相對(duì)較少。因此，在后續(xù)的研究中，需結(jié)合數(shù)值模擬，對(duì)異種合金慣性摩擦焊的工藝參數(shù)及端面設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)接頭的元素分布及新相形成的種類與數(shù)量進(jìn)行調(diào)控，對(duì)焊接界面金屬的流動(dòng)行為進(jìn)行深入研究，以獲得具有綜合性能較好的異種合金慣性摩擦焊接頭，從而為異種合金構(gòu)件在船舶、核電設(shè)備、軌道交通、化學(xué)化工、海洋工程、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。