鉬錸合金焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀

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

0 序 言

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。為滿足工業(yè)生產(chǎn)需要，擴(kuò)大鉬錸合金的應(yīng)用范圍，開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。

1 鉬錸合金焊接研究進(jìn)展

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優(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45%時(shí)，鉬錸合金開始析出第二相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51%，當(dāng)錸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過51%時(shí)，生產(chǎn)過程中將會(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)。電子束焊接過程中，采用單面焊雙面成型，凝固從焊縫背面開始，一直跟隨電子束，直到焊接結(jié)束，是一個(gè)完整的過程；而激光焊采用的是脈沖激光，凝固過程發(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。這說明在熱影響區(qū)(HAZ)+焊縫區(qū)(WZ)兩區(qū)中經(jīng)過激光焊接后產(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，并且焊接過程受到Ar氣體有效保護(hù)，受外來元素侵入進(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程中的相變及其影響將十分必要，尤其是如何通過相關(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程中易出現(xiàn)焊接強(qiáng)度低、裂紋、硬質(zhì)相等問題，而趙世柯等人[22-26]采用過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，減少噴濺，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。在焊接過程中，焊縫凝固過程中收縮及原材料中殘留的揮發(fā)性物質(zhì)在焊接過程中揮發(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，可滿足未來工程中的應(yīng)用，具有極大的發(fā)展前景。

2 結(jié)束語(yǔ)

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程中出現(xiàn)的問題，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。通過在焊接接頭中過渡合金元素Ti，Zr，Pt來細(xì)化晶?；蚪档湍虦囟?，減少焊縫內(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。

[1] 姜 瑋，鄭劍平，李 鑫，等. Mo-3Nb單晶管定向電子束焊接的組織及性能[J]. 焊接，2016(7): 37-40.

[2] Klopp W D，Witzke W R. Mechanical properties of electron-beam-melted molybdenum and dilute Mo-Re alloys[J]. Metallurgical & Materials Transactions B， 1973， 4(8):2006-2008.

[3] Schneibel J H，F(xiàn)elderman E J，Ohriner E K. Mechanical properties of ternary molybdenum rhenium alloys at room temperature and 1 700 K[J]. Scripta Materialia，2008，59(2): 131-134.

[4] Xu J，Leonhardt T，F(xiàn)arrell J，et al. Anomalous strain-rate effect on plasticity of a Mo-Re alloy at room temperature[J]. Materials Science & Engineering A，2008，479(1): 76-82.

[5] Xu J，Zhai T. The positive strain-rate dependence of ductility in a 50Mo-50Re alloy[J]. Jom the Journal of the Minerals Metals & Materials Society，2008，60(7): 76-79.

[6] Xu J，Kenik E A，Zhai T. Brittle Fracture in a 50Mo-50Re alloy in static tensile testing[J]. Philosophical Magazine，2008，88-88.

[7] Hiraoka Y，Morito F，Okada M，et al. Effect of a small amount of additional carbon on the ductility of recrystallized sintered-molybdenum sheet[J]. Journal of Nuclear Materials，1978，78(1): 192-200.

[8] Morito F. Characteristics of EB-weldable molybdenum and Mo-Re alloys[J]. Jom the Journal of the Minerals Metals & Materials Society，1993，45(6): 54-58.

[9] Morito F. Effect of heat treatment on mechanical behavior of electron beam welded sintered molybdenum[J]. Journal of Nuclear Materials，1989，165(2): 142-148.

[10] Morito F. Weldability of sintered molybdenum-rhenium[C]. National Research Institute for Metals，Japan, 1989: 417-431.

[11] 楊尚磊，陳 艷，薛小懷，等. 錸(Re)的性質(zhì)及應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J]. 上海金屬，2005，27(1): 45-49.

[12] Freund D. Manufacture and properties of molybdenum-rhenium alloys[J]. Metal Powder Report，Japan,2001，56(6): 39-39.

[13] Leonhardt T，Carlén J，Buck M，et al. Investigation of mechanical properties and microstructure of various molybdenum-rhenium alloys[J]. 1999，458(458):685-690.

[14] Leonard K J，Busby J T，Zinkle S J. Microstructural and mechanical property changes with aging of Mo-41Re and Mo-47.5Re alloys[J]. Journal of Nuclear Materials，2007，366(3): 369-387.

[15] Carlen J C. Molybdenum-rhenium alloy: US,US5437744A[P]. 1995-08-01.

[16] Freze N I，Levitskii A D，Tyumentsev A N，et al. Deposition ofσphase in Mo-Re alloys[J]. Soviet Physics Journal，1975，18(2): 273-274.

[17] Krajnikov A V，Morito F，Danylenko M I. Embrittlement of molybdenum-rhenium welds under low and high temperature neutron irradiation[J]. Journal of Nuclear Materials，2014，444(1): 404-415.

[18] Morito F，Chakin V P，Danylenko M I，et al. Radiation-induced strengthening in EB welds of Mo-Re alloys during high temperature neutron irradiation[J]. Bioinformatics，2011，417(1): 976-979.

[19] Chakin V P，Morito F，Kazakov V A，et al. Radiation embrittlement of Mo-Re welds under low-temperature irradiation in the SM reactor[J]. Journal of Nuclear Materials，1998，258-263(258): 883-888.

[20] Krajnikov A，Morito F，Danylenko M. Rhenium effect in irradiated Mo-Re alloys and welds[J]. Universal Journal of Materials Science，2014，2(2): 19-26.

[21] Kramer D，Mcdougal J，Booher B，et al. Electron beam and Nd-YAG laser welding of niobium-1 percent zirconium and molybdenum-44.5 percent rhenium thin sheet material[C] Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit，Las Vegas，NV，USA，2000:956-961.

[22] 趙世柯，繆國(guó)興，曹艷玲，等. 難熔金屬鉬-鉬激光焊接頭顯微組織結(jié)構(gòu)分析[C]. 大連：2010全國(guó)荷電粒子源、粒子束學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2010.

[23] 鄭興仁，鄧 峰，周建勇. 在微波管制管工藝中激光焊接技術(shù)的改進(jìn)[C].北京：中國(guó)電子學(xué)會(huì)真空電子學(xué)分會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)，2001.

[24] 閔慧英. 激光焊接技術(shù)在衛(wèi)星行波管中的應(yīng)用[C]. 北京：中國(guó)電子學(xué)會(huì)焊接專業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議，1995: 4-5.

[25] 鄒玉清. Alloy X哈氏合金的焊接工藝研究[J]. 焊接，2012(11): 64-65.

[26] 孫兵兵，李京龍，熊江濤，等. 添加中間層的Mo-Al箔材擴(kuò)散連接工藝及界面結(jié)合機(jī)理的研究[J]. 焊接，2010(7): 53-57.

[27] Xu J，Zhai T. The small-scale resistance spot welding of refractory alloy 50Mo-50Re thin sheet[J]. Jom the Journal of the Minerals Metals & Materials Society，2008，60(7): 80-83.

[28] Farrell J，Umstead W，Xu J，et al. Resistance spot welding of 50Mo-50Re refractory alloy foils[C]. Vacuum Electronics Conference，Tallinn，Estonia，2008: 340-341.

[29] Felix V M，Wells D A. Friction welding molybdenum-rhenium alloy: US，US5261592A[P]. 1993-11-16.

[30] 陸允信，沃連恩. 鉬的釬焊[J]. 電子學(xué)通訊，1981，3(4): 259-260.

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)。