吳 磊 夏春智 劉 鵬
(1.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003; 2.山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,濟(jì)南 250101)
鉬錸合金焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀
吳 磊1夏春智1劉 鵬2
(1.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003; 2.山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,濟(jì)南 250101)
鉬錸合金是一種極具發(fā)展前景的材料,但鉬錸合金對(duì)C,N,O敏感,呈現(xiàn)出高溫易氧化的特點(diǎn),焊接接頭易形成氣孔,生成脆性化合物,造成性能下降。因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其焊接性進(jìn)行了研究。綜述鉬錸合金的電子束焊、激光焊、電阻焊、摩擦焊和真空釬焊等在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。對(duì)焊接中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析與總結(jié),并指出防止生成脆性相、氣孔和裂紋是鉬錸合金獲得良好焊接接頭的關(guān)鍵。
鉬錸合金 焊接 性能
金屬鉬硬度高,熔點(diǎn)高,具有較好的高溫強(qiáng)度,優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能,在電子、航天、能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而鉬在常溫時(shí)較脆、加工性能差、易氧化、韌脆轉(zhuǎn)變溫度較高等缺點(diǎn),限制了純金屬鉬的應(yīng)用[1]。在鉬中加入一定量的錸元素,可大幅度地降低了鉬合金的塑脆轉(zhuǎn)變溫度,使得鉬錸合金具有良好的常溫性能[2];同時(shí)又提高了鉬合金的再結(jié)晶溫度,提高鉬合金的高溫性能[3]。此外,鉬錸合金的焊接性能、抗輻射特性以及熱電特性表現(xiàn)優(yōu)異[4-6]。目前,鉬錸合金被廣泛應(yīng)用在航空航天、加熱設(shè)備、核工業(yè)等眾多領(lǐng)域。
隨著工程實(shí)踐的不斷發(fā)展,對(duì)材料提出了更高的要求,而性能優(yōu)異的鉬錸合金是一種極具應(yīng)用前景的材料。為滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)需要,擴(kuò)大鉬錸合金的應(yīng)用范圍,開(kāi)展鉬錸合金焊接技術(shù)的研究工作,就顯得尤為迫切和重要。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鉬錸合金的焊接進(jìn)行了大量的研究并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
目前,關(guān)于鉬錸合金焊接的方法主要包括電子束焊接、激光焊、電阻焊、摩擦焊和真空釬焊等方法。
1.1電子束焊接
真空電子束焊接具有能量密度高、束斑直徑和位置精確可控,焊接殘余應(yīng)力小,焊縫無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),是目前鉬錸合金應(yīng)用最廣泛的焊接方式。
F.Morito等人[7-9]系統(tǒng)地研究了不同工藝方法制備的鉬錸合金焊接性、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。F.Morito等人改善制備工藝,發(fā)現(xiàn)在氫氣氛或真空中燒結(jié)可得到較純的鉬錸合金,使粉末冶金制備的鉬錸合金也能獲得良好的電子束焊縫。研究發(fā)現(xiàn)焊縫的晶界強(qiáng)度隨Re含量增大而增強(qiáng);同時(shí)指出經(jīng)熱處理后可改善焊材的晶間脆性,而且焊后熱處理與滲碳處理過(guò)程都可以有效恢復(fù)材料的強(qiáng)度和韌性,其實(shí)質(zhì)是晶界碳的分離并均勻沉淀而使晶界粘合力增強(qiáng)的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明,為獲得性能良好的焊接接頭,鉬錸合金中錸含量應(yīng)控制在25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)以上,而此時(shí)粉末冶金的鉬錸合金焊件塑性?xún)?yōu)異。
F.Morito[10]進(jìn)一步研究了鉬錸合金的焊接性。經(jīng)焊后退火,含錸5%與13%的合金在到達(dá)屈服之前就斷裂,而含錸41%的鉬錸合金焊件不僅在室溫下具有優(yōu)異的延展性和屈服強(qiáng)度,而且低溫性能也顯著提高。在-90 ℃以下,含錸41%的合金具有1 000~1 500 MPa屈服強(qiáng)度;在-194 ℃的溫度下,觀察到屈服現(xiàn)象后,還有微小的延展性。主要是因?yàn)殄n含量的增加和焊后退火處理共同降低了鉬錸合金焊件的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,使Mo-41%Re焊件的韌脆轉(zhuǎn)變溫度由-60 ℃降到-154 ℃,極大的改善了鉬錸合金的低溫韌性。隨著錸含量的增加,鉬錸合金焊接凝固時(shí)晶粒再細(xì)化;而且錸含量增加引起焊件由晶間斷裂到穿晶斷裂的顯著改變,這就造成含錸41%的合金比含錸較低的合金更容易獲得無(wú)缺陷且性能優(yōu)良的焊件。
錸含量增加雖然可以有效改善鉬錸合金的力學(xué)性能及焊接性,但當(dāng)錸含量超過(guò)45%時(shí),鉬錸合金開(kāi)始析出第二相σ相[11]。D.Freund等人[12]研究發(fā)現(xiàn),實(shí)際生產(chǎn)的鉬錸合金中錸含量不應(yīng)超過(guò)51%,當(dāng)錸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)51%時(shí),生產(chǎn)過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生大量硬脆的σ相,不適宜焊接與生產(chǎn)加工[13-14]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)Mo-47.5%Re經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間熱處理也會(huì)產(chǎn)生σ相,造成硬度增加,韌性降低,且經(jīng)1 800 ℃退火處理后,雖溶解了σ相,但在冷卻過(guò)程中會(huì)重新形成[15-16]。
A.V.Krajnikov等人[17-20]系統(tǒng)地研究了電子束焊接的鉬錸合金,在低溫和高溫中子輻射下的脆化現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明,低溫輻射將導(dǎo)致試樣硬度顯著增加,但缺少韌性;而高溫輻射雖然同樣導(dǎo)致鉬錸合金焊件硬度增強(qiáng),但在高溫測(cè)試中仍具有20%~30%的斷后伸長(zhǎng)率。主要是因?yàn)楦邷剌椛鋵?dǎo)致富集錸的相均質(zhì)形核,平衡了焊縫、熱影響區(qū)和母材力學(xué)性能的差異。
真空電子束焊接可抑制氧和氮的不利影響,而且焊接能量集中,減少了氣孔和焊接裂紋的產(chǎn)生。但焊接溫度過(guò)高,使得鉬錸合金焊縫區(qū)晶粒粗大,導(dǎo)致焊接接頭韌性和強(qiáng)度下降。當(dāng)錸含量在25%~51%時(shí),電子束焊接可獲得良好的焊接接頭,而適當(dāng)?shù)臐B碳及熱處理可提高焊件性能。
1.2激光焊
激光焊是一種高效精密焊接方法,激光作用時(shí)間短,熱影響區(qū)小,焊接能量密度相對(duì)較大,為無(wú)接觸焊接,可用于焊接高熔點(diǎn)難熔金屬。
激光焊接過(guò)程中激光能量、激光束作用時(shí)間、脈沖寬度對(duì)焊縫成形以及焊接性能影響很大。D.P.Kramer等人[21]研究了用電子束焊接與Nd-YAG激光焊對(duì)Mo-44.5%Re板材焊接。采用的焊接工藝參數(shù)為:電子束功率120 W;脈沖頻率15次/秒;脈沖長(zhǎng)度5 ms;焊接速度22.86 cm/min。由于鉬錸合金對(duì)氧、氮?dú)怏w雜質(zhì)極其敏感,激光焊接時(shí),采用氬氣雙面保護(hù);為焊透板材(0.5 mm),采用雙面焊接(功率為120 W)。
試驗(yàn)結(jié)果表明,電子束焊接試樣的拉伸強(qiáng)度和延展性顯著優(yōu)于激光焊。主要原因是在激光焊縫中心出現(xiàn)了微小的裂紋,嚴(yán)重影響了焊接接頭性能。激光焊與電子束焊接相比,激光焊接頭具有更小的晶粒和熱影響區(qū)。
D.P.Kramer指出,裂紋的形成極有可能與凝固模式、熱輸入相關(guān)。電子束焊接過(guò)程中,采用單面焊雙面成型,凝固從焊縫背面開(kāi)始,一直跟隨電子束,直到焊接結(jié)束,是一個(gè)完整的過(guò)程;而激光焊采用的是脈沖激光,凝固過(guò)程發(fā)生在兩個(gè)脈沖之間,整個(gè)焊縫是多次凝固成型的,而在凝固的間隙易形成裂紋。
筆者課題組最近利用低功率CO2通用脈沖激光器對(duì)Mo-50%Re薄片材料(0.13 mm厚)進(jìn)行了激光搭接試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中搭接區(qū)采用Ar氣單面保護(hù),當(dāng)激光工作功率為80~90 W時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)搭接接頭局部區(qū)域的有效冶金結(jié)合,但在搭接接頭有效冶金結(jié)合區(qū)仍存在少量的微氣孔,但未發(fā)現(xiàn)存在裂紋;而當(dāng)激光工作功率高于90 W時(shí),兩個(gè)搭接Mo-50%Re薄片將會(huì)嚴(yán)重?zé)龘p甚至直接熔斷;當(dāng)激光工作功率低于80 W時(shí),將造成搭接Mo-50%Re薄片的上板在激光焊接區(qū)兩側(cè)上翹變形,與下板激光焊接區(qū)未形成有效冶金結(jié)合。
有效連接工藝試驗(yàn)表明,由于Mo-50%Re材料自身具有的高的脆性性能,以及快速、高溫的激光焊條件下很難實(shí)現(xiàn)有效的連接,圖1為激光功率80 W時(shí)獲得搭接接頭的顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)果表明整個(gè)搭接區(qū)(包括焊縫區(qū)WZ、熱影響區(qū)HAZ)的硬度顯著高于兩側(cè)上下母材(BM)硬度,熱影響區(qū)(HAZ)+焊縫區(qū)(WZ)兩區(qū)平均硬度約高于母材(BM)區(qū)120 HV左右。這說(shuō)明在熱影響區(qū)(HAZ)+焊縫區(qū)(WZ)兩區(qū)中經(jīng)過(guò)激光焊接后產(chǎn)生了硬度較高的硬質(zhì)相。但由于被焊母材僅有兩種元素組成,并且焊接過(guò)程受到Ar氣體有效保護(hù),受外來(lái)元素侵入進(jìn)而形成高硬質(zhì)相可性能較小,因此探討Mo-Re二元合金在激光焊接過(guò)程中的相變及其影響將十分必要,尤其是如何通過(guò)相關(guān)輔助工藝盡可能減少高硬質(zhì)相的存在對(duì)實(shí)現(xiàn)接頭的有效連接至關(guān)重要。
圖1 Mo-50%Re低功率激光焊搭接接頭顯微硬度分布
激光焊接鉬錸合金過(guò)程中易出現(xiàn)焊接強(qiáng)度低、裂紋、硬質(zhì)相等問(wèn)題,而趙世柯等人[22-26]采用過(guò)渡合金元素的方式使鉬合金焊點(diǎn)的強(qiáng)度和脆性有明顯的改善,使過(guò)渡合金元素成為改善激光焊接鉬錸合金工藝的重要方向。
1.3電阻焊
電阻焊是將焊件壓緊在兩電極之間,并通以電流,利用電阻熱將其加熱到熔化或塑性狀態(tài),使其結(jié)合的一種方法。熔核形成時(shí),始終被塑性環(huán)包圍,熔化金屬與空氣隔絕,冶金過(guò)程簡(jiǎn)單。
J.Xu和T.Zhai等人[27-28]研究微型電阻焊焊接50Mo-50Re合金薄片。通過(guò)對(duì)主要參數(shù)(焊接時(shí)間、電極材料、電極形狀、電極壓力、電流增長(zhǎng)時(shí)間、焊接電流、保壓時(shí)間)適當(dāng)調(diào)整參數(shù),可有效改善焊接質(zhì)量。其中,一定范圍內(nèi)電流增長(zhǎng)時(shí)間的增加可顯著提高焊縫強(qiáng)度,減少?lài)姙R,并且減少電極和工件之間的接觸電阻;而較小的電極壓力可以形成直徑最大為電極直徑30%~40%的熔核,有效提高焊件載荷。在焊接過(guò)程中,焊縫凝固過(guò)程中收縮及原材料中殘留的揮發(fā)性物質(zhì)在焊接過(guò)程中揮發(fā)導(dǎo)致焊縫會(huì)普遍形成氣孔,降低焊縫性能。
1.4摩擦焊及真空釬焊
與熔焊方法相比,摩擦焊和真空釬焊由于焊接溫度低,對(duì)母材的影響小,更有利于鉬錸合金的焊接。有研究表明,利用摩擦焊焊接鉬錸合金的韌性和強(qiáng)度優(yōu)于電子束焊接得到的接頭。
V.M.Felix等人[29]發(fā)明了摩擦焊接鉬錸合金的設(shè)備,可以用來(lái)焊接錸含量為10%~50%的鉬錸合金。試驗(yàn)結(jié)果表明,Mo-41%Re棒材焊件焊接后,焊接彎曲強(qiáng)度可以達(dá)到母材的85%,拉伸強(qiáng)度達(dá)到母材的90%;而Mo-13%Re的棒材,焊接后極限抗拉強(qiáng)度達(dá)到551 MPa。在焊前經(jīng)1 100 ℃加熱保溫3 h的Mo-41%Re管材式樣,在彎曲測(cè)試中斷裂;而在焊后經(jīng)960 ℃熱處理15 min的式樣,彎曲測(cè)試可達(dá)30°,而焊接接頭強(qiáng)度可與母材相當(dāng)。
陸允信等人[30]研究了鉬的釬焊,指出釬焊鉬時(shí)應(yīng)采用熔點(diǎn)高、蒸汽壓低的釬料。同時(shí)為發(fā)揮鉬錸合金的高溫性能,筆者課題組采用Fe-Si-B,BNi5及自制的Ni基高溫釬料實(shí)現(xiàn)了Mo-50%Re合金的真空釬焊。研究發(fā)現(xiàn),Mo-50%Re合金熔點(diǎn)較高,與其它元素冶金反應(yīng)較少,或在較高溫度才能反應(yīng)可選釬料較少;由于對(duì)O元素極敏感,同時(shí)對(duì)釬料制備及高溫釬焊設(shè)備要求較高。釬焊溫度控制應(yīng)在釬料液相線(xiàn)附近才能與母材潤(rùn)濕良好,并發(fā)生冶金化學(xué)反應(yīng),形成致密焊縫,而構(gòu)件焊縫致密,接頭牢固。
Mo-50%Re合金晶粒尺寸分布在20~50 μm之間,如圖2所示。釬焊溫度低于其再結(jié)晶溫度,焊后鉬錸合金母材晶粒無(wú)明顯長(zhǎng)大。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在釬料中加入Si,B等降熔元素在釬焊過(guò)程中可擴(kuò)散進(jìn)母材,降低鉬錸合金的熔點(diǎn),使母材元素進(jìn)入焊縫,發(fā)生冶金反應(yīng),形成固溶體,同時(shí)擴(kuò)散到焊縫中的Mo和Re元素,起到骨架的作用,限制釬料的過(guò)分流動(dòng)。Fe基釬料焊縫中,母材側(cè)存在明顯擴(kuò)散層與固溶體層;BNi5釬料焊縫中,反應(yīng)復(fù)雜,等溫凝固過(guò)程中形成(Mo-Cr)固溶體及含Si脆性相;NiMnSiCuZr釬料焊縫中,釬料與母材反應(yīng)劇烈,形成(Re-Zr)固溶體與Ni基固溶體。
圖2 Mo-50%Re合金形貌
摩擦焊與釬焊為固相焊接,溫度低,對(duì)鉬錸合金影響小,獲得的焊接接頭性能優(yōu)異,可滿(mǎn)足未來(lái)工程中的應(yīng)用,具有極大的發(fā)展前景。
鉬錸合金是高溫難熔金屬合金,由于其本身的特點(diǎn),使得鉬錸合金的焊接還存在很多問(wèn)題。在鉬錸合金中的熔化焊中,應(yīng)用廣泛的是電子束焊接,其在真空環(huán)境中,可抑制氧和氮的不利影響,焊接能量集中,但焊件受真空室尺寸的限制,對(duì)設(shè)備要求高;激光焊焊接鉬錸合金,熱影響區(qū)小,焊縫晶粒細(xì)小,真空釬焊焊接溫度低,對(duì)母材影響小,可獲得性能優(yōu)異的焊接接頭。
為解決鉬錸合金焊接過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題,應(yīng)采用低氧或超低氧焊接,熱輸入通常選擇能保證熔深的最小值,焊前預(yù)熱和適當(dāng)緩冷,減少冷裂傾向。通過(guò)在焊接接頭中過(guò)渡合金元素Ti,Zr,Pt來(lái)細(xì)化晶?;蚪档湍虦囟龋瑴p少焊縫內(nèi)雜質(zhì)與熱應(yīng)力改善焊縫性能,都是鉬錸合金焊接具有發(fā)展前景的研究方向。
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2016-06-21
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405205);中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(2015M581751)。
TG441
吳 磊,1989年出生,碩士研究生,研究方向?yàn)樾虏牧霞疤胤N焊接技術(shù)。