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鉬及鉬合金簡義

鉬及鉬合金具有熔點高、高溫強度高、耐磨性好、導熱導電性好、線膨脹系數(shù)小以及彈性模量高、抗腐蝕性能好等特點，在國防軍工、航空航天、電子信息、能源、化工、冶金和核工業(yè)等領(lǐng)域有著不可替代的作用和應用需求。但是，鉬及鉬合金材料本質(zhì)上還是屬于硬脆材料，因此其焊接性通常較差。為了擴展鉬及鉬合金的應用領(lǐng)域，國內(nèi)外研究者對其焊接問題已經(jīng)進行了大量研究，相關(guān)文獻從21世紀70年代開始就不斷見于報道。

鉬及鉬合金焊接性分析

1.室溫脆性

鑰及鑰合金的韌性隨溫度變化并在一個非常狹窄的溫度范圍內(nèi)由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?。純鑰 的韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍約為140 -150 °C，導致其深加 工困難、產(chǎn)品性能低、應用領(lǐng)域受限。這種脆性被稱 為鑰的本征脆性，主要是由原子的.外層和次外層 電子均為半滿狀態(tài)這一電子分布特點所決定的。由 于鑰及鑰合金具有熔點高、導熱性好、再結(jié)晶溫度 高、固態(tài)不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變及其bcc晶體結(jié)構(gòu)致 密度低等特點，其焊后焊縫及熱影響區(qū)尺寸大、晶粒 嚴重粗化，導致C、N、O等間隙雜質(zhì)充分擴散并在晶 界上富集、晶界結(jié)合強度嚴重弱化。在材料本征脆 性和晶界雜質(zhì)偏析現(xiàn)象共同作用下，鑰及鑰合金焊 接裂紋敏感性高、接頭強度和塑韌性很差。

2.氣孔缺陷

由于粉末冶金工藝可得到無擇優(yōu)取向的細晶粒組織,難熔金屬胚條常用粉末冶金方法制備,導致材 料含有微孔隙和雜質(zhì)元素、致密度無法與熔煉冶金 制備的材料相比，因此鑰及鑰合金熔焊通常會遇到 氣孔缺陷率高的問題。尤其是殘留在微孔隙內(nèi)的處于高壓狀態(tài)氣體危害.為顯著，焊接過程中這些高 壓氣體被釋放到高溫熔池中后會在熔池中急劇膨脹 從而使鑰及鑰合金焊接接頭質(zhì)量嚴重惡化。

鉬及鉬合金的焊接研究進展

目前，鉬及鉬合金的焊接方法主要包括鴇極氯 弧焊、電子束焊、激光焊、電阻焊、釬焊和摩擦焊等。

1.電子束焊

潘際鑾等人研究了厚度1-5mm粉末冶金純 鑰的電子束焊接。結(jié)果表明,焊接速度愈大晶粒度 愈小、晶間雜質(zhì)愈少，通過提高焊速、減小焊接線能 量可顯著改善鑰焊接接頭的韌性；真空度對接頭的 韌脆轉(zhuǎn)變溫度影響顯著，焊接過程中工件表面氧化物的分解對真空度有較大影響，真空度從10tmm 汞柱提高到10次mm汞柱時接頭的韌脆轉(zhuǎn)變溫區(qū)的上限從約150℃下降到約100℃。楊秦莉等人采用電子束焊接方法對16 mm厚純鑰板進行焊接。結(jié)果表明,焊縫呈“釘子”狀，焊縫熱影響區(qū)窄，焊縫中間為粗大的等軸晶、兩側(cè)為柱狀晶。焊縫和熱影響區(qū)顯微硬度比母材區(qū)硬度高。焊接接頭不同厚度處顯微硬度和力學性能不一致，1 100℃熱處理接 頭強度.高在焊縫底部。焊接接頭拉伸斷口全部在焊縫區(qū)，呈解理斷裂形貌。鄭衛(wèi)勝等人采用真空 電子束焊接方法對16mm厚純鑰材料進行焊接。結(jié)果表明，采用真空電子束焊接的純鑰焊縫晶粒長大現(xiàn)象嚴重。

Morito等發(fā)現(xiàn)室溫下TZM電子束焊接接 頭總是呈現(xiàn)脆性斷裂，裂紋起源于晶界，然后沿著晶 界或穿過晶粒擴展。但是當溫度超過300℃以后，TZM電子束焊接接頭總是呈現(xiàn)韌性斷裂，斷裂前有明顯頸縮現(xiàn)象。此外,研究還發(fā)現(xiàn)滲碳和焊后熱處 理能夠有效提高鑰合金晶界結(jié)合強度,使TZM合金 和Mo-Re合金電子束焊接接頭的室溫韌性得到改善。Morito等人進一步研究了在50Mo - 50Re （%，質(zhì)量分數(shù)）合金的基礎(chǔ)上進一步增加Re含量 對其焊接性的影響。發(fā)現(xiàn)進一步增加Re含量后晶 界結(jié)合強度提高、電子束焊接接頭韌性改善。即使 是在液氮中，該焊接接頭.大彎曲角也可以達到約50℃。Morito等人⑺還通過熱模擬試驗比較了隨 爐冷卻和快速淬火冷卻兩種熱處理條件下鑰合金 [Mo >99. 9%（質(zhì)量分數(shù)）]焊接熱影響區(qū)的韌性。發(fā)現(xiàn)焊后快冷會使鑰合金焊接接頭HAZ區(qū)的韌性 顯著下降,主要原因是快速淬火條件下HAZ區(qū)晶界 偏析更顯著。Stiitz等人⑻系統(tǒng)地研究了電子束焊 接工藝參數(shù)對2 mm厚度TZM合金對接接頭中FZ 區(qū)尺寸、HAZ區(qū)尺寸、FZ和HAZ晶粒尺寸、氣孔和 裂紋敏感性的影響。發(fā)現(xiàn)線能量較大時氣孔缺陷嚴重，線能量較小時不僅可以抑制氣孔而且可以使FZ 區(qū)晶粒尺寸明顯減小。電子束焊接接頭強度可以達 到母材強度的50% ~77%。焊縫和熱影響區(qū)晶粒粗大，F(xiàn)Z區(qū)顯微硬度和母材相比下降了20% ~ 31%。在不填充焊材的情況下雖然可以獲得成形良 好的電子束焊接頭,但是韌性和強度不能滿足要求, 因此認為有必要進行填充材料、對焊縫金屬進行合 金化的電子束焊接研究。

2. 鎢極氯弧焊

王華等人研究了TZM鉬合金的鎢極氯?。═IG）焊接，結(jié)果表明，在合適的焊接電流、焊接速度和氧氣流量下可獲得成形良好的焊縫。焊縫區(qū)為粗大柱狀晶，熱影響區(qū)是粗大等軸晶。Jiang等 人並研究了 Mo- Cu復合材料與不銹鋼的填Cr - Ni焊絲鴇極氧?。═IG）焊接。王慧芳“門研究發(fā)現(xiàn)熔煉鉬合金的EBW或TIG焊接焊縫中氣孔較少, 而粉末冶金純鑰或鑰合金的焊縫中有非常嚴重的孔洞,并存在大尺寸氣孔;添加C可以改善粉末冶金 純鑰或鑰合金焊縫的塑性，并能夠使焊縫中的氣孔 顯著減少;細化焊縫中的柱狀晶組織可以改善鉬和鉬合金焊縫的斷裂韌性;此外，向焊縫中摻加Ti和Hf也能夠減少粉末冶金純鑰焊縫中形成的中心線 裂紋和氣孔,使焊縫區(qū)的硬度增大，并使拉伸斷裂部位由焊縫區(qū)向熱影響區(qū)轉(zhuǎn)移。

Matsuda F.等人皿研究了粉末冶金制備的1.5 mm厚鈦錯鑰合金（TZM合金）的電子束焊接和TIG 焊接。研究發(fā)現(xiàn)大的焊接熱輸入會使TZM合金焊 接接頭韌性顯著下降,TIG焊接頭的韌脆轉(zhuǎn)變溫度 比電子束焊接頭韌脆轉(zhuǎn)變溫度高出約120 ℃。此外，他們還發(fā)現(xiàn)TIG焊接時只在焊縫起弧位置和收 弧位置附近出現(xiàn)氣孔缺陷，而采用真空環(huán)境下的電 子束焊接時焊縫中氣孔缺陷顯著增加。X射線探傷 結(jié)果顯示長度200 mm的電子束焊縫中出現(xiàn)了約 700個氣孔缺陷。Kolarikova等人研究了純鑰薄 板的電子束焊和鴇極氯弧焊。母材是粉末冶金材 料,經(jīng)軋制加工為0.2 mm和0.4 mm薄板。EBW焊接采用0.2 mm純鑰板,GTAW焊接采用0.4 mm 薄板。在各自優(yōu)化工藝條件下，兩種方法制備的接 頭均未出現(xiàn)裂紋和氣孔缺陷。EBW接頭和GTAW 接頭的FZ區(qū)寬度分別為0.8mm和1.7mm,而EBW接頭和GTAW接頭的HAZ區(qū)寬度差異十分顯著,分別為1.4 mm和35 mm。EBW接頭FZ區(qū)和 HAZ區(qū)晶粒尺寸也明顯比GTAW接頭小。表明高能量密度的EBW方法比GTAW方法更適合于焊 接鑰。

3.激光焊

Liu等人M研究了厚度0. 13 mm粉末冶金鉬合金（50Mo-50Re）搭接接頭的Nd：YAG激光連續(xù)焊。母材組織為再結(jié)晶狀態(tài)等軸晶，平均晶粒尺 寸約33 jim。保護氣體是純度99.5%的氧氣。在 75 W功率、25 mm/min焊接速度和光斑直徑為2. 5 mm條件下施焊。焊后熔化區(qū)結(jié)合界面處出現(xiàn)裂紋,在熔化區(qū)結(jié)合界面處觀察到多處大尺寸氣孔,氣孔直徑約為母材板厚的15% ~20%。斷口顯微分 析結(jié)果表明斷裂模式是沿晶斷裂，在晶粒內(nèi)部和晶 界上有大量深色化合物,成分分析表明這些深色化 合物中的C、。含量分別為30%和15%（原子分數(shù)）。焊后母材、熱影響區(qū)和FZ區(qū)的顯微硬度平均 值分別約為HV290,HV370和HV420,即焊后焊縫 和熱影響顯著硬化。作者認為粗大組織和有害雜質(zhì) 元素是結(jié)合界面處發(fā)生硬化和接頭沿晶開裂的主要原因。Lin，Y的研究表面采用脈沖Nd：YAG激光焊方法替代電阻焊方法來焊接直徑0.5 mm的針 狀純鑰導電原件，結(jié)果表明可以使接頭強度提高約2倍。

Kramer等人研究了0.5mm厚度Mo- 44.5% Re合金薄板的電子束焊和脈沖Nd：YAG激光焊。母材通過粉末冶金工藝制備，然后經(jīng)軋制和退化加工，.終獲得0. 5 mm厚度的Mo-44.5% Re合金薄板。電子束焊接前用低能量密度的束流對工件進行預熱處理。研究發(fā)現(xiàn)激光焊接頭組織更細小，電子束焊接Mo-44.5% Re合金接頭成形良 好，未出現(xiàn)氣孔和裂紋缺陷。激光焊接Mo-44.5% Re合金接頭的FZ區(qū)出現(xiàn)了裂紋，力學性能試驗后 激光焊接頭斷口呈現(xiàn)脆斷顯微形貌。Chatterjee A. 等人研究了1-2 mm厚鍛造態(tài)鈦錯鑰合金［Ti 0. 50%（質(zhì)量分數(shù)），Zr 0.08%（質(zhì)量分數(shù)）和C0.04%（質(zhì)量分數(shù)）］對接接頭的電子束焊接和電弧前置Nd：YAG激光-TIG復合熱源焊接。兩種焊接 方法制備的焊接接頭中都沒有明顯的氣孔缺陷問 題。兩種方法所制備接頭的FZ區(qū)和HAZ區(qū)都分別 是粗大柱狀晶組織和粗大等軸晶組織，但是EBW 接頭中FZ區(qū)和HAZ區(qū)的晶粒尺寸明顯較小，分別是Hybrid接頭中的55%和65%左右。EBW和Hybrid 焊接方法得到的焊縫寬度分別約為1.4 mm和 2.6 mm,但是兩種情況下熱影響區(qū)寬度都約是焊縫區(qū)寬度的1. 5倍。兩種情況焊縫和熱影響區(qū)都發(fā)生了軟化，EBW接頭FZ顯微硬度比母材下降約 26% ,Hybrid焊接時軟化區(qū)更寬一些,軟化程度也更大一些。拉伸試驗結(jié)果表明，激光-TIG復合焊和 電子束焊兩種焊接方法所制備接頭的強度分別約為 母材強度的41%和47%。雖然FZ和HAZ區(qū)都發(fā)生了軟化，但是兩種接頭在拉伸試驗中幾乎完全沒有表現(xiàn)出拉伸塑性,斷面收縮率和延伸率幾乎是零, 而母材的延伸率則高達8.4%。兩種接頭拉伸斷口 都呈現(xiàn)穿晶斷裂的脆斷形貌。雖然EBW焊接是在高真空（＜1.33 MPa）環(huán)境下進行的，但是EBW焊接接頭FZ區(qū)材料的TEM觀察結(jié)果顯示在晶粒內(nèi)部有大量均勻分布的彌散第二相,其尺寸范圍是0.1 -10 Jim。成分分析表明這些彌散第二相是Mo的氧化物，含有約65at%的0和約34. 5%（質(zhì)量分數(shù)） 的Mo。斷口分析和TEM試驗結(jié)果表明焊接接頭延伸率幾乎為零的原因是晶界偏析。

4. 電阻焊

Xu 等人進行了0.127 mm 厚50Mo - 50Re（%，質(zhì)量分數(shù)）合金搭接接頭的電阻點焊工藝優(yōu)化 研究。母材材料制備手段是粉末冶金，使用純凈度不低于99. 980%粉末,經(jīng)燒結(jié)、軋制后1050℃退火以消除應力，所有加工工程都是在氫氣保護下完成, 而且焊前在氨氣分解氫中進行1 200℃JO min的脫氧處理。研究發(fā)現(xiàn)斷電后施加頂鍛力的時間越長 接頭強度越高、韌性越好。當斷電后的頂鍛時間從50 ms增加到999ms時，接頭的承載能力從100 N 增大到113 N,斷口顯微形貌從脆性沿晶斷裂轉(zhuǎn)變 為韌窩狀形貌。EDS結(jié)果顯示當斷電后頂鍛時間較小為50 ms時熔化區(qū)晶界上出現(xiàn)Mo富集,而當斷電后頂鍛時間增大到999 ms后沒有出現(xiàn)晶界Mo富集現(xiàn)象，熔化區(qū)斷口成分與母材成分幾乎一致。其 原因是斷電后頂鍛時間增大能夠加快焊縫的冷卻速率，從而抑制Mo在晶界的偏析。此外，冷卻速率增大還能夠減小HAZ區(qū)尺寸，而HAZ區(qū)也是Mo及 Mo合金焊接接頭的薄弱區(qū)域。研究中還發(fā)現(xiàn)各種 焊接條件下接頭FZ區(qū)都出現(xiàn)了大尺寸氣孔缺陷，分析認為原因是粉末冶金材料內(nèi)部存在有微孔洞，殘余的易揮發(fā)性物質(zhì)常見于孔洞內(nèi)。Elizabeth E Ferrenz等人口刃在鑰和鴇銖合金絲的電阻點焊中 采用雙脈沖電流波形來控制焊接質(zhì)量。..脈沖電流較小，主要作用是去除氧化膜；第二個脈沖采用較大電流實現(xiàn)焊接。

5.釬焊

Xia等人研究了0.06 mm厚50Mo - 50Re合 金搭接接頭的真空釬焊。母材材料制備手段是粉末 冶金。釬料是熔化溫度區(qū)間為1 081 ~1 136℃的Ni-Cr-Si-B：Ni-19Cr-7. 3Si-1.5B%（質(zhì)量分 數(shù)）]系釬料。在1 200℃釬焊溫度下保溫20 min, 所獲釬縫成形良好,沒有微裂紋和氣孔等缺陷,但是在釬縫中心處有CrB和NiSi2脆性金屬間化合物生成。Song等人⑵]研究了3 mm厚鈦錯鑰合金[Ti 0. 50% （質(zhì)量分數(shù)），Zr 0.08% （質(zhì)量分數(shù)）和C 0.04% （質(zhì)量分數(shù)）]搭接接頭的真空釬焊。釬料是 Ti - 28Ni：%（質(zhì)量分數(shù)）]共晶釬料，釬料熔化溫度區(qū)間是940 -980℃。釬焊溫度范圍為1 000 ~ 1 160℃，真空度約為1.33 MPa。在1080℃下保溫600s制備的釬焊接頭剪切強度達到約107MPa。剪切斷口呈現(xiàn)準解理穿晶斷裂形貌。