(1.江蘇科技大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中國石油西南油氣田分公司 工程技術研究院，成都 610017)

0 序 言

現代飛機的各項技術性能，如飛行速度、升限、航程、裝載能力等，在很大程度上依賴于先進的高推重比航空發(fā)動機的應用，因此，提高航空發(fā)動機推重比對改善飛機性能意義重大[1]。

不銹鋼具有強度高、塑形和耐蝕性好等優(yōu)點，應用于航空發(fā)動機的諸多部件[2-3]。鈮合金具有比強度高、熱強性和高溫耐蝕性優(yōu)良等優(yōu)點，是非常有發(fā)展前途的航空發(fā)動機用輕質耐高溫結構材料[4]。用鈮合金局部代替不銹鋼，可以提高航空發(fā)動機工作溫度、減輕其重量，使航空發(fā)動機具有更高的推重比，滿足新一代飛機對高推重比航空發(fā)動機的需求。

用鈮合金部分取代不銹鋼，必然要涉及到鈮合金與不銹鋼的連接問題。已有研究結果表明，鐵-鈮金屬間化合物的生成是降低接頭強度的主要原因，其中Fe2Nb降低接頭強度的作用最顯著[5]。目前主要采用爆炸焊、熔釬焊、釬焊等方法焊接不銹鋼與鈮合金。但是采用釬焊和熔釬焊焊接不銹鋼與鈮合金，普遍存在接頭強度低的問題[5-9]。而采用爆炸焊焊接不銹鋼與鈮合金，雖然可以得到高強度的焊接接頭，但是該方法只能夠焊接大面積層狀金屬復合材料，無法焊接對接等接頭形式的構件，存在接頭形式單一的問題[10-11]。激光焊具有熱輸入小、焊接能量和加熱位置精確可控等特點，非常適合鋼與鈮等活潑金屬的連接[12-15]。因此，大力發(fā)展不銹鋼/鈮合金復合結構的激光焊接技術，可以促進其在飛機制造業(yè)中的推廣應用，對于提升國內先進飛行器的整體制造水平具有重要意義。

文中擬以鋼/鈮激光焊為研究對象，探討銀過渡層對接頭組織及性能的影響規(guī)律，為鋼/鈮異種金屬的焊接提供理論指導和技術支持。

1 試驗方法

試驗所用母材為純鈮和304不銹鋼。 過渡層材料選用純銀。 母材被線切割成50 mm×25 mm×2 mm的平板，過渡層材料被線切割為50 mm×2 mm×(1，0.8，0.6，0.4，0.2)mm的薄片。在焊接前，先用砂紙打磨試樣表面以去除表面氧化膜和油污，再用脫脂棉分別蘸取丙酮和酒精清洗試件表面，確保材料表面清潔沒有污染。 將過渡層預置于鋼/鈮對接面處進行焊接，激光束作用于過渡層中心線上。焊接參數為：激光功率P=2 kW，焊接速度v=1.2 m/min，離焦量△f=0。焊接過程使用氬氣作為保護氣體，前保護氣流量Q1為15 L/min，背保護氣流量Q2為15 L/min。

焊后采用線切割截取金相試樣，經打磨、拋光后采用鈮合金腐蝕液(HNO3∶HF=1∶3)進行腐蝕。 腐蝕好的試樣用掃描電鏡、能譜儀等分析測試手段對焊縫組織進行分析。 采用電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，室溫抗拉強度測試的加載速度為2 mm/min。

2 試驗結果及分析

2.1 銀過渡層對接頭強度的影響

采用1 mm厚度的銀過渡層進行了鋼與鈮的激光焊接試驗，焊后接頭表面形貌如圖1所示。從圖中可以看出采用銀過渡層的焊縫成形良好，無表面成形缺陷產生。上述試驗結果表明銀可以作為連接鋼與鈮的候選過渡層材料。

圖1 添加銀過渡層的接頭表面形貌

使用1 mm厚度的銀作為中間層的焊縫顯微組織如圖2所示。 表1為圖2中A,B相的能譜分析結果。從圖2可以看出，采用銀作為中間層的焊縫顯微組織是由基體相A和彌散分布在其上的相B組成。由能譜分析結果可知相A和相B都是銀晶體。表明焊縫主要是由銀組成，銀層有效阻隔了鐵、鈮原子之間發(fā)生互擴散，因而阻止了鐵-鈮金屬間化合物的生成，實現了鋼和鈮的連接。此外，銀的塑性和韌性很好，可以通過塑性變形使接頭的應力得到松弛，也有利于接頭強度的提高。

圖2 使用銀作為中間層的焊縫顯微組織

打點位置FeAgCrNiCu可能相A0100000AgB0100000Ag

2.2 銀過渡層厚度對接頭組織和力學性能的影響

圖3為銀過渡層厚度對接頭強度的影響規(guī)律?？梢钥闯?，接頭強度隨著銀過渡層厚度的增大而增大，當銀過渡層厚度為1 mm時，接頭強度達到198 MPa，表明銀過渡層厚度對接頭強度有重要影響。

圖3 銀層厚度對接頭強度的影響

使用不同厚度銀過渡層的焊縫顯微組織如圖4所示。圖4中各個相的能譜分析結果見表2。使用0.2 mm厚度銀過渡層的焊縫顯微組織是由基體相A和分布在其上的相B組成(圖4a)。結合能譜分析結果(表2)可知相A是奧氏體γ相，相B是Fe2Nb。因為銀過渡層厚度僅有0.2 mm，所以對鐵、鈮原子互擴散的阻礙作用十分微弱，鐵、鈮原子可以通過互擴散充分混合。隨著溫度降低，將首先從液相中析出奧氏體，當奧氏體中的鈮含量超過其固溶度極限時，就會自奧氏體中脫溶析出Fe2Nb。因為Fe2Nb是硬脆相，所以當焊縫組織中出現Fe2Nb時，接頭強度很低。

當銀過渡層厚度由0.2 mm增加到0.4 mm時，焊縫顯微組織是由基體相C組成(圖4b)。結合能譜分析結果(表2)可知相C是銀基固溶體.當銀過渡層厚度為0.4 mm時，焊縫金屬主要是由銀組成，因為鐵的熔點遠低于鈮，所以焊縫中也含有少量的鐵，而鈮由于熔點很高，因而在焊縫中沒有發(fā)現鈮。由鐵-銀相圖可知[15]，盡管鐵和銅之間不形成金屬間化合物，但是二者之間互溶度極低，因此在快速冷卻條件下鐵來不及析出，就會形成銀基過飽和固溶體。因為基體相是軟韌的銀基固溶體，所以接頭強度較高。

表2 特征區(qū)元素含量(原子分數,%)

隨著銀過渡層厚度進一步增加，可以獲得和圖4b相似的顯微組織(圖4c,4d,4e)。它們之間的主要差異是隨著銀層厚度的增加，顯微組織中鐵含量減少。這主要是因為隨著銀層厚度增加，對鐵、鈮原子互擴散的阻礙作用逐漸增強，導致焊縫中的鐵含量減少。

圖4 使用不同厚度銀過渡層焊縫的顯微組織

3 結 論

(1)采用純銀作為過渡層材料焊接鋼與鈮，可以實現鋼與鈮的連接，焊后接頭表面成形良好，無成形缺陷產生。

(2)隨著銀過渡層厚度增加，銀過渡層對于Fe2Nb形成的阻礙作用增強，接頭強度也隨之提高，當銀過渡層厚度為1 mm時，接頭強度達到198 MPa。Fe2Nb的生成是降低接頭強度的關鍵因素。

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