鉭與不銹鋼異種材料焊接的研究進(jìn)展

周永強(qiáng)，馮杉杉，朱政強(qiáng)

南昌大學(xué) 先進(jìn)制造學(xué)院，江西 南昌 330031

0 前言

鉭（Ta）具有高密度、高熔點(diǎn)、耐腐蝕、良好的高溫強(qiáng)度、熱加工性和可焊性?xún)?yōu)良等特點(diǎn)，在航空航天、武器裝備、能源化工裝備等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值［1-4］。但金屬鉭資源貯藏于地殼內(nèi)，稀少且分布不均勻，加之鉭的精煉工藝復(fù)雜，導(dǎo)致其應(yīng)用成本非常高，這極大限制了鉭在工程中的應(yīng)用［5-7］。我國(guó)的制造業(yè)用鉭主要以進(jìn)口為主，其價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通鋼材，1 mm厚鉭板價(jià)格約為相同厚度不銹鋼的100倍、碳鋼的1000倍，若與其他金屬連接復(fù)合構(gòu)件則可明顯降低其應(yīng)用成本［8］，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。不銹鋼是目前常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)材料之一，在航空航天、壓力容器、耐蝕性管道等領(lǐng)域也被視為關(guān)鍵材料［9-11］。鑒于此，鉭鋼復(fù)合材料在各行業(yè)的應(yīng)用日益增多，也極有可能成為今后鉭及鉭合金的主要應(yīng)用方向。

鉭與鋼的理化性能差異較大，且鉭在高溫下極易與空氣中的氧、氮反應(yīng)形成脆性化合物等因素大大限制了鉭鋼復(fù)合構(gòu)件的制造［12-13］，如何制造出優(yōu)質(zhì)可靠的鉭鋼復(fù)合構(gòu)件是亟待解決的難題。國(guó)內(nèi)外的許多研究者針對(duì)鉭鋼復(fù)合構(gòu)件的連接開(kāi)展了大量研究，采用的焊接方法主要有釬焊、氬弧焊、擴(kuò)散焊、爆炸焊、電子束焊和激光焊等。本文綜述了現(xiàn)階段針對(duì)鉭鋼復(fù)合構(gòu)件焊接的研究成果，對(duì)各種焊接工藝應(yīng)用于鉭鋼連接的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析總結(jié)，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供借鑒和參考。

1 鉭與不銹鋼的焊接性分析

鉭與不銹鋼的焊接屬于異種金屬焊接，其效果除了會(huì)受到材料本身理化性能的影響外，還會(huì)受兩種母材理化性能差異的影響，主要問(wèn)題如下：

（1）Ta和Fe的固溶度很小，常溫下Ta在α-Fe中的固溶度和Fe在Ta中的固溶度幾乎為零，因此在焊接過(guò)程中Ta和不銹鋼會(huì)反應(yīng)生成金屬間化合物，如圖1所示。富Fe區(qū)在溫度1 442 ℃下有共晶反應(yīng)生成δ-Fe和TaFe2（ε）相，1 215 ℃下有共析反應(yīng)生成γ-Fe和TaFe2（ε）相，當(dāng)Fe含量在49%～54%區(qū)間內(nèi)還會(huì)生成TaFe（μ）相。此外，Ta與不銹鋼中的Cr元素也會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成中間相TaCr2和以Cr、Ta為基的固溶體［14］，這些金屬間化合物對(duì)于焊接接頭都有一定的不利影響，如圖2所示。

圖1 Ta-Fe二元相圖Fig.1 Ta-Fe binary phase diagram

圖2 Ta-Cr二元相圖Fig.2 Ta-Cr binary phase diagram

（2）Ta和Fe的物理性能差異大。Ta與Fe的部分熱物理參數(shù)如表1所示?？梢钥闯觯咴谌埸c(diǎn)、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)及其他物理性能上都有很大不同。線脹系數(shù)不同，將在接頭區(qū)引起殘余應(yīng)力與變形，容易在焊縫與熱影響區(qū)開(kāi)裂，從而影響焊接性；熱導(dǎo)率的差異導(dǎo)致焊接過(guò)程中鋼側(cè)積累熱量過(guò)多，造成晶粒粗大；兩者熔點(diǎn)相差較大，Ta熔點(diǎn)約是Fe的2倍，這導(dǎo)致常規(guī)熔焊很難同時(shí)熔化Ta、Fe形成熔池，即使勉強(qiáng)形成熔池，也會(huì)導(dǎo)致焊縫偏移，難以達(dá)到有效結(jié)合，導(dǎo)致接頭性能不佳［15］。

表1 Ta和Fe的熱物理參數(shù)對(duì)比［15］Table 1 Thermophysical parameters of tantalum and iron［15］

（3）Ta在常溫下性能穩(wěn)定，而在高溫下對(duì)氧、氫、氮非常敏感。加熱到200～300 ℃時(shí)會(huì)輕微氧化，在500 ℃以上會(huì)迅速氧化，吸收空氣中的氫和氧形成脆性化合物，從而導(dǎo)致焊接接頭性能較差。

2 鉭與不銹鋼的焊接工藝

2.1 釬焊

釬焊是異種金屬焊接的常用方法。Ta的熔點(diǎn)高，難以熔化，采用釬焊能夠通過(guò)添加釬料阻隔Ta、Fe的相互擴(kuò)散，控制金屬間化合物和脆性相的生成，可以有效降低接頭連接難度，同時(shí)還可緩解Ta和Fe理化性能差異的負(fù)面影響。鉭鋼的釬焊工藝操作簡(jiǎn)單、成本低廉、設(shè)備要求較低，但難點(diǎn)在于釬料的選擇及其成分設(shè)計(jì)。

王妮君等人［15］制備了（Ti37.5Zr37.5Cu15Co10）95V5和Ni-7Cr-5Zr-3Fe-3B-4.5Si釬料，采用真空高頻感應(yīng)釬焊實(shí)現(xiàn)了Ta1和0Cr18Ni9的有效連接。研究發(fā)現(xiàn)，在使用（Ti37.5Zr37.5Cu15Co10）95V5釬料時(shí)，添加V元素有效促進(jìn)了釬料與鉭的結(jié)合，最終焊縫成形飽滿(mǎn)致密，剪切強(qiáng)度達(dá)到71 MPa，具有良好的力學(xué)性能。與其相比，應(yīng)用Ni-7Cr-5Zr-3Fe-3B-4.5Si釬料的連接效果更好，如圖3所示。

圖3 Ta1/Ni-7Cr-5Zr-3Fe-3B-4.5Si/0Cr18Ni9高頻釬焊接頭組織［15］Fig.3 Microstructure of Ta1/Ni-7Cr-5Zr-3Fe-3B-4.5Si/0Cr18Ni9 high-frequency brazing joint ［15］

紀(jì)騰飛等人［16］采用Ni-Cr-Fe-Si-B和Ni-Cu-Ge-Si-B對(duì)Ta1與S30408板材進(jìn)行爐中釬焊研究，分析釬料成分對(duì)焊接接頭組織與性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)用厚度0.3 mm的釬料可有效減少焊縫區(qū)FeTa脆性金屬間化合物的產(chǎn)生。由于釬料為鎳基固溶體，在近Ta1側(cè)形成Ni2Ta相，釬縫中形成Ni8Ta相，近鋼側(cè)形成Cr2B相。

由此可見(jiàn)，雖然釬焊的溫度較低，加工環(huán)境也相對(duì)較簡(jiǎn)單，但焊接接頭的強(qiáng)度低于母材的平均強(qiáng)度，釬料的種類(lèi)以及各項(xiàng)物理參數(shù)與接頭強(qiáng)度密切相關(guān)。同時(shí)，接頭的耐高溫性能普遍不如熔焊接頭，目前還難以滿(mǎn)足航空航天以及壓力容易等領(lǐng)域的強(qiáng)度要求。

2.2 電子束焊

電子束焊接目前應(yīng)用最廣泛的是真空電子束焊［17］，電子束焊接具有能量密度高、焊接熱影響區(qū)小、真空保護(hù)氣氛等優(yōu)點(diǎn)［18］，經(jīng)常用于焊接精密零件以及熱處理過(guò)的零件。

Chen等人［19］研究了Ta-不銹鋼電子束焊接接頭的組織、缺陷特征和力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)Fe和Ta反應(yīng)生成脆性ε相（Fe2Ta）和μ相（FeTa或Fe7Ta6），這些化合物在靠層狀分布，在焊接應(yīng)力作用下，該區(qū)域容易形成微裂紋，如圖4所示。Sang等人［20］對(duì)1.5 mm厚的Ta和GH3128鋼板進(jìn)行了異種金屬電子束焊接。Ta/GH3128接頭的主要缺陷是穿透裂紋和氣孔，焊縫顯微硬度變化較大，最大值出現(xiàn)在Ta側(cè)熔合線上，接頭抗拉強(qiáng)度僅為150 MPa。為了緩解熱裂紋的問(wèn)題，趙宇星［21］采用真空電子束焊焊接Ta1與4J34因瓦合金，添加不同厚度的Cu作為夾層，結(jié)果表明一定厚度的Cu可以阻止Invar合金與Ta反應(yīng)生成有害相，如圖5所示。

圖4 Ta/1Cr18Ni9Ti接頭焊縫區(qū)裂紋［19］Fig.4 Cracks in weld zone of Ta/1Cr18Ni9Ti joint ［19］

圖5 不同厚度Cu夾層的焊接接頭形貌［21］Fig.5 Weld joint morphology of sandwich with different thickness［21］

分析以上文獻(xiàn)成果可知，有害相的產(chǎn)生與Ta/Fe金屬材料結(jié)晶化學(xué)性能差異的關(guān)系密切，而Cu中間層的性質(zhì)介于母材之間，在兩種金屬焊接時(shí)起到了很好的過(guò)渡作用。顯然，電子束焊有著較小的熱影響區(qū)以及能夠通過(guò)添加中間層的方式來(lái)避免脆性相的產(chǎn)生，適合用于鉭與不銹鋼的焊接，然而電子束焊工藝復(fù)雜，真空室條件對(duì)焊件尺寸和形狀有很大限制，目前還無(wú)法大面積應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)［22］。

2.3 氬弧焊

李臻［23］利用ANSYS軟件對(duì)用鉭制換熱管、Ta/16MnR制管板的管板式換熱器的氬弧焊接接頭進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了4種尺寸組合焊接接頭的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，鉭鋼復(fù)合板的鉭層厚度是影響焊接質(zhì)量的主要因素。

邢煒等人［24］用直流氬弧焊與交流脈沖氬弧焊對(duì)鉭鋼復(fù)合板的Ta覆層進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，交流脈沖氬弧焊的焊接熱影響區(qū)較窄，焊接熔深在0.5～1 mm范圍內(nèi)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，直流氬弧焊工藝鋼基層由于高溫熔化，在鋼基層與過(guò)渡層之間產(chǎn)生了中間夾層。而交流脈沖氬弧焊工藝鋼基層沒(méi)有明顯變化，鉭板已經(jīng)實(shí)現(xiàn)很好的熔合。

氬弧焊由于熱影響區(qū)域較大，工件在修補(bǔ)后常常會(huì)造成變形、硬度降低、砂眼等缺陷，在精度以及表面要求較高的領(lǐng)域，氬弧焊還無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)要求［25］。采用氬弧焊焊接鉭鋼異種金屬，焊縫的裂紋傾向很難避免，鉭板越薄裂紋傾向越嚴(yán)重，且存在氣孔、晶粒粗化等焊接問(wèn)題。氬弧焊雖然操作簡(jiǎn)單，但是鉭與鋼焊縫熔合區(qū)在應(yīng)力作用下會(huì)出現(xiàn)裂紋，硬度高，塑性差，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積復(fù)合界面的焊接，應(yīng)用范圍有限。

2.4 爆炸焊

爆炸焊是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的巨大沖擊波，驅(qū)動(dòng)金屬材料發(fā)生高速運(yùn)動(dòng)和碰撞，從而實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的特種焊接技術(shù)，迄今為止，爆炸焊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了銅/不銹鋼、鈦/鋼、銅/鋁等眾多異種金屬大厚度、大面積復(fù)合，結(jié)合強(qiáng)度高、質(zhì)量好［26］。

為探討鉭箔和低碳鋼爆炸復(fù)合時(shí)波狀界面生成機(jī)制，繆廣紅等人［27］進(jìn)行了爆炸復(fù)合二維數(shù)值模擬。結(jié)果顯示，模擬效果和實(shí)驗(yàn)效果契合較好，改進(jìn)的爆炸復(fù)合技術(shù)是制備高質(zhì)量鉭涂層的有效途徑，在微觀標(biāo)準(zhǔn)下，鉭箔/鋼界面展現(xiàn)出高質(zhì)量的波紋冶金結(jié)合界面，且在微米尺度下未觀察到孔洞、裂紋，如圖6所示，證明了該方法用于稀有金屬與普通金屬爆炸符合的準(zhǔn)確性。Henryk Paul［28］研究了爆炸焊接的Ta/不銹鋼（SS）復(fù)合材料界面層的微觀結(jié)構(gòu)。分析表明，連接板之間所有界面都經(jīng)歷了波浪形變形，Ta和SS之間的凝固熔體區(qū)域主要由平衡相圖中未觀察到的脆性、無(wú)定形或納米晶相組成。

圖6 鉭和不銹鋼微觀界面［27］Fig.6 Micro interface of tantalum and stainless steel［27］

由于潛在的技術(shù)問(wèn)題，例如熔點(diǎn)差異大和金屬間化合物的形成，在普通金屬上獲得高質(zhì)量的鉭涂層仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在這項(xiàng)工作中，Ming Yang等人［29］利用一種改進(jìn)的爆炸焊接技術(shù)成功在鋼基體上制備了鉭涂層，其中使用了特殊的裝藥結(jié)構(gòu)和雙層緩沖結(jié)構(gòu)來(lái)獲得理想的焊接條件。結(jié)果表明，在Ta/Fe界面上觀察到一種新的渦流結(jié)構(gòu)，有利于防止裂紋從脆性熔化區(qū)擴(kuò)展，如圖7所示。

圖7 Ta-Fe爆炸焊接接頭的BSE圖像［29］Fig.7 BSE image of Ta-Fe explosive welded joint［29］

目前，爆炸焊相較其他焊接方法在工業(yè)中的應(yīng)用較多，主要用于制備涂層以及金屬箔的焊接。雖然爆炸焊可實(shí)現(xiàn)鉭/不銹鋼焊接，但爆炸中心及邊緣存在未結(jié)合區(qū)，并且鉭/不銹鋼爆炸復(fù)合工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高且耗時(shí)，還存在環(huán)境破壞問(wèn)題。

2.5 激光焊

激光焊與電子束焊相類(lèi)似，是一種高能束焊接方法，屬于熱傳導(dǎo)型焊接，其特點(diǎn)是激光作用時(shí)間短，熱影響區(qū)小，為無(wú)接觸焊接，并且可在大氣下進(jìn)行，不需要真空室，也不產(chǎn)生X射線［30］。

MENG［31］將Cu作為中間層采用激光焊接成功實(shí)現(xiàn)了304不銹鋼與Ta的連接，如圖8所示，分析了Cu中間層厚度對(duì)接頭組織和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cu中間層厚度為0.4 mm時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度最高，比無(wú)Cu中間層時(shí)提高了54.1%。因?yàn)镃u中間層的加入可以有效抑制母材之間的原子擴(kuò)散和金屬間化合物（IMC）的生成，中間層厚度對(duì)Ta/熔合區(qū)界面IMC的數(shù)量和Ta側(cè)的熱輸入也有極其重要的影響。

圖 8 不同Cu層間厚度的304SS/Ta接頭的EDS映射結(jié)果［31］Fig.8 EDS mapping results of 304SS/Ta joints with different Cu interlayer thickness［31］

馮杉杉［32］在對(duì)激光焊接鉭鋼的研究中實(shí)驗(yàn)了多種激光功率，發(fā)現(xiàn)在特定實(shí)驗(yàn)參數(shù)時(shí)，鋼側(cè)焊縫以柱狀晶、等軸晶、樹(shù)枝晶和片層狀共晶區(qū)為主，如圖9所示。在冷卻過(guò)程中，F(xiàn)e基固溶體先析出形成晶粒，TaFe2和TaCr2金屬間化合物同部分Fe基固溶體共同形成晶間組織和共晶組織，其中脆硬相TaFe和TaFe2會(huì)降低接頭性能。而后在焊接過(guò)程中添加Cu中間層，結(jié)果表明，Cu中間層的加入有效減少了焊縫區(qū)脆硬金屬間化合物的產(chǎn)生，既提高了接頭的抗拉剪性能，又有效減小了焊縫區(qū)的平均硬度，但是在Ta側(cè)焊縫產(chǎn)生了Ta-Fe反應(yīng)層，焊縫底部也出現(xiàn)了脆性TaFe2胞狀晶粒。然后添加Ag中間層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在焊縫區(qū)均勻分布著細(xì)小Ag顆粒，這對(duì)焊縫起到了彌散強(qiáng)化的作用，不僅將焊縫區(qū)硬度降低至460 HV，還使得接頭強(qiáng)度增加，抗剪切力達(dá)到2 100.3 N。由此可知，通過(guò)Ag的添加，不僅有效抑制了脆性片層狀共晶區(qū)和TaFe2胞狀晶粒的產(chǎn)生，還有效減小了TaFe2胞狀晶粒的尺寸。

圖9 鋼側(cè)焊縫組織［32］Fig.9 Microstructure of steel side weld［32］

2.6 其他焊接工藝

除了上述焊接方法外，還有學(xué)者嘗試了擴(kuò)散焊、儲(chǔ)能焊等方式進(jìn)行鉭鋼焊接。

Masumoto等人［33］在8 MPa真空中、600～1 200 ℃條件下，對(duì)商用純鉭和奧氏體不銹鋼SUS304的擴(kuò)散焊進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，純鉭和304不銹鋼憨厚強(qiáng)度極低，以至于無(wú)法加工成拉伸試樣。于是將SUS304中各種元素的純金屬分別與純鉭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，鉻與鉭焊接強(qiáng)度極低，鐵與鉭焊接時(shí)易形成空隙，當(dāng)鉭和鎳結(jié)合時(shí)，也形成了金屬間化合物組成的擴(kuò)散層，但接頭強(qiáng)度達(dá)到210 MPa。使用鎳箔作為中間層對(duì)純鉭和SUS304的擴(kuò)散焊可以獲得最大220 MPa的焊接接頭。翟秋亞等人［34］選用Ta1鉭板和0Cr18Ni9鋼板進(jìn)行電容儲(chǔ)能焊連接，制備了Ta8Ni30Cr20Cu42高熵合金箔作為中間層。高熵合金所引發(fā)的焊縫高熵化效應(yīng)可以有效地避免熔焊焊縫金屬間化合物的形成。并且儲(chǔ)能焊快速熔化、快速冷卻、快速凝固和溶質(zhì)截留效應(yīng)顯著增強(qiáng)，可以避免脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，以此改善接頭脆性。

真空擴(kuò)散焊對(duì)整個(gè)焊件進(jìn)行加熱，會(huì)對(duì)母材性能造成影響，且焊接時(shí)間長(zhǎng)、效率低，在鉭鋼焊接中有一定局限性。而儲(chǔ)能焊工藝復(fù)雜，中間層制備難度大，并且焊后接頭斷裂形式仍然以脆性斷裂為主。

3 結(jié)論及展望

以鉭為代表的難熔金屬與不銹鋼的異種材料連接一直是焊接領(lǐng)域的難題，國(guó)內(nèi)外大量研究學(xué)者為了獲得良好的鉭鋼接頭開(kāi)展了大量研究，采用釬焊、電子束焊、氬弧焊、爆炸焊以及激光焊等方法實(shí)現(xiàn)了鉭與不銹鋼的連接。本文從焊接方法的角度對(duì)目前鉭與不銹鋼的焊接研究進(jìn)行了梳理，分析認(rèn)為，高能量密度的焊接熱源如電子束焊、激光焊更適合用于鉭與不銹鋼的焊接。目前來(lái)看，針對(duì)激光焊接鉭鋼的文獻(xiàn)量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。未來(lái)鉭與不銹鋼連接的研究重點(diǎn)有：

（1）繼續(xù)深入研究鉭鋼異種金屬焊縫的成形機(jī)理。借助數(shù)值模擬等方法建立準(zhǔn)確的分析模型仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)材料計(jì)算分析焊縫組織演變規(guī)律進(jìn)而闡明焊縫成形機(jī)理。

（2）圍繞具體的服役環(huán)境分析鉭鋼焊縫的失效機(jī)制，進(jìn)而有針對(duì)性?xún)?yōu)化焊材、鉭、鋼的組織成分，以獲得高質(zhì)量焊縫。

（3）針對(duì)激光等高質(zhì)量熱源，進(jìn)一步優(yōu)化其工藝參數(shù)，選擇合適的中間層金屬，來(lái)獲得更好的接頭性能。