鎢合金與鋼焊接研究進(jìn)展

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。