復合阻隔鍍層對釩合金與不銹鋼電子束焊接頭組織與性能的影響

王亞榮　余洋　雷華東

摘要：釩基合金被公認為是理想的聚變反應堆結(jié)構(gòu)材料，為了更有效和經(jīng)濟地利用釩基合金，需要將釩合金與不銹鋼進行連接。通過電鍍Ni+Au作為復合中間層，采用電子束阻隔熔化焊方法來實現(xiàn)V-5Cr-5Ti釩合金與HR-2不銹鋼之間的連接。結(jié)果表明：電子束流偏向釩合金一側(cè)焊接得到的釩合金與不銹鋼接頭界面將產(chǎn)生貫穿性裂紋，直接導致焊接失敗。電子束流偏向不銹鋼一側(cè)，電鍍Ni+Au作為界面阻隔層，很好地抑制了V/Fe界面的金屬間化合物的產(chǎn)生，顯著提高了接頭性能，接頭抗拉強度最高達到430 MPa。電子束阻隔熔化焊得到的釩合金/不銹鋼異種金屬焊接接頭焊縫正反面成形良好，X射線探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋和氣孔缺陷。

關(guān)鍵詞：電子束焊接;釩合金;不銹鋼;復合鍍層

中圖分類號：TG456.3 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）01-0067-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.11

0 前言

釩基合金是一種理想的聚變堆第一壁結(jié)構(gòu)材料，與其他金屬結(jié)構(gòu)材料相比，釩基合金最顯著的優(yōu)點是其在中子輻照條件下的低激活特性和優(yōu)良的高溫強度性能。此外，釩基合金還具有良好的抗輻射誘變膨脹和損傷、良好的尺寸穩(wěn)定性、高熱傳導性、較低的熱膨脹系數(shù)、較低的彈性模量等[1-3]。釩基合金的特性決定了其在一些特定的環(huán)境中具有較好的應用前景，目前主要應用在航空、國防、核聚變和高溫環(huán)境等領(lǐng)域[4]。

釩基合金應用亟待解決的關(guān)鍵問題是，大尺寸釩基合金制造中的雜質(zhì)控制和釩基合金的連接技術(shù)[5]。美國在連接釩合金與不銹鋼的研究中，主要采用釬焊方法。阿貢實驗室的M.Atoji等人研究了用銀釬料在745 ℃將表面電鍍10 μm的Ni（鎳）和10 μm的Au（金）的釩與不銹鋼連接，過程復雜，且操作控制精度要求很高[6]。Y. X. Gan等人研究發(fā)現(xiàn)釬焊連接釩合金與304不銹鋼，中間層材料的種類和組合非常關(guān)鍵[7-8]，研究組利用AuNi、MBF80（Ni7Cr3Fe4.5Si3.2B）、AuNiPd和Cu作為中間層材料真空釬焊釩合金與不銹鋼得到的接頭強度差別非常大，抗拉強度和斷裂應變分別為245 MPa、1.3%，83 MPa、0.15%，42 MPa、0.16%和85 MPa、0.15%，對比分析認為AuNi可以很好地潤濕釩合金和不銹鋼，得到的接頭具有較好的塑性。

隨著科學技術(shù)的不斷進步，對結(jié)構(gòu)材料綜合性能的要求不斷提高，單一的合金結(jié)構(gòu)通常很難滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，即使單一的合金比較理想，可以滿足要求，但因為其十分稀缺，不能在工程中普遍應用[9-11]，所以釩合金與異種材料連接的復合結(jié)構(gòu)成為發(fā)展的趨勢。鑒于AuNi釬料對于釩合金與不銹鋼的釬焊效果，本項目擬采用Ni+Au復合鍍層作為中間添加層，電子束熔化連接釩合金不銹鋼來研究中間層材料對釩合金與不銹鋼的界面組成和接頭性能的影響，為實現(xiàn)釩合金/不銹鋼的有效連接提供有益參考，同時也為類似難焊異種金屬材料連接提供一種思路。

1 試驗材料和方法

試驗材料為釩合金V-5Cr-5Ti和不銹鋼HR-2，化學成分如表1所示。焊接試板尺寸為120 mm×70 mm，釩合金厚度為2.5 mm，不銹鋼厚度為2 mm。

電子束阻隔熔化焊中，先化學除油再酸洗活化后，在不銹鋼一側(cè)的對接面預電鍍一薄層鎳（Ni）為結(jié)合層，厚度為200～500 nm，然后依次電鍍厚度為10～20 μm的鎳（Ni）鍍層和厚度為5～10 μm的金（Au）鍍層，構(gòu)成復合金屬阻隔層。焊前對焊接試件表面進行處理，對于不銹鋼試件，直接用丙酮清洗，去除表面油污;對于釩合金試件，需要將釩合金試件放入酸性混合溶液HNO3（32%）+HCl（32%）+H2O（36%）中浸泡5 min，去除表面氧化膜，清洗過后用清水反復沖洗，之后丙酮浸泡、風干，保持試件表面的清潔與干燥，之后在高真空電子束焊機中進行焊接。

采用電子束偏束焊接的方法實現(xiàn)不銹鋼/釩合金異材組合連接，采用低加速電壓、散焦電子束進行高速焊接，電子束移動時輔以一定波形的小幅值電子束攪拌掃描，焊接完成后在真空室中冷卻到室溫后取出焊接試樣。試驗中電子束流轟擊接頭的位置如圖1所示，焊接參數(shù)如表2所示。兩組焊接參數(shù)的主要區(qū)別在于電子束流的偏移距離，-0.3表示電子束流偏向釩合金一側(cè)，0.3則偏向不銹鋼一側(cè)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊縫接頭質(zhì)量

對于釩合金與不銹鋼的連接來說，最重要就是控制其焊縫內(nèi)部金屬的熔合比、避免脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，添加鍍層復合阻隔層金屬元素Ni-Au的添加目的是通過外加元素來阻止或減弱脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，并影響其分布。當電子束流偏向釩合金以后，電鍍于不銹鋼表面Ni-Au層失去阻隔作用，熔化進入焊縫中的V金屬含量增加，與Fe元素形成大量脆性化合物，導致焊接試板沿著對接面直接貫穿斷裂。而電子束流偏向不銹鋼一側(cè)時，釩合金與不銹鋼的試件實現(xiàn)連接，接頭宏觀形貌如圖2所示。

2.2 焊縫接頭質(zhì)量

釩合金/不銹鋼（Ni+Au）對接接頭的典型界面結(jié)構(gòu)如圖3所示。接頭分為三部分：釩合金母材、反應區(qū)（RZ）、不銹鋼母材，構(gòu)成兩個結(jié)合界面：界面Ⅰ（V-5Cr-5Ti/RZ）、界面Ⅱ（RZ/HR-2）。

在釩合金與不銹鋼的電子束熔化焊中，反應區(qū)與釩側(cè)的反應界面（見圖4），即界面Ⅰ是直接影響到接頭性能的關(guān)鍵部位，連接界面呈現(xiàn)凸凹不平的齒狀咬合，實現(xiàn)了冶金結(jié)合，連接內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)微裂紋和氣孔等缺陷。

對界面Ⅰ顏色相對變淺的B區(qū)和界面Ⅱ底部顏色些許變深的B區(qū)進行放大，如圖5所示。對圖中標識的不同區(qū)域進行能譜分析，結(jié)果如表3所示。

由圖5a發(fā)現(xiàn)，Ni-Au作阻隔層的接頭界面很平直，界面層厚度約為5 μm，在反應A區(qū)內(nèi)白色Au元素相和黑色Ni元素相彌散分布。而反應界面下部的B區(qū)是一個特別的區(qū)域，這一部分組織構(gòu)成完全區(qū)別于其他部分，為Au-Ni共晶組織。

2.3 接頭強度

利用X射線對焊縫進行無損檢測，焊縫成形良好，正反面均無飛濺，未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，如圖6所示。

在室溫下對連接接頭進行拉伸和沖擊試驗。拉伸強度結(jié)果如圖7所示。以Au-Ni作為阻隔層的接頭性能，拉伸試樣的強度沿著焊接方向逐漸升高，由165.8 MPa升高至430 MPa。說明在焊接過程中，束流的偏移距離以及熱量的積聚導致焊縫結(jié)合界面元素組成的差異，不同部分的拉伸強度差別較大。由于結(jié)合界面為典型的異種材料的連接界面，幾何和物理上的奇異性導致接頭界面處的塑韌性很差，沖擊韌性僅為20～30 kJ/m2，接頭塑韌性相對較差。

接頭斷裂在兩種材料的結(jié)合界面處，裂紋形核于焊縫根部靠近釩合金側(cè)的反應區(qū)，斷口形貌如圖8所示。斷面呈現(xiàn)明顯的河流花樣，有著脆性斷裂特征，屬于解理斷裂，局部存在有撕裂棱。

3 結(jié)論

（1）在不銹鋼一側(cè)電鍍復合鍍層Ni+Au作為阻隔中間層，利用電子束焊接釩合金與不銹鋼，通過電子束流的偏移來控制能量在兩種金屬上的分布以有效控制金屬的熔化比，實現(xiàn)了兩種材料的冶金結(jié)合。

（2）選擇Ni+Au作為阻隔層材料，避免熔化的釩合金和不銹鋼兩種金屬直接發(fā)生反應，一定程度上降低了釩合金與不銹鋼連接時反應界面脆性金屬間化合物產(chǎn)生的可能性。

（3）充分利用Ni+Au元素對熔化母材界面反應的阻隔作用，顯著提高了釩合金和不銹鋼接頭的性能。沿著焊接方向，接頭拉伸強度逐漸升高，由165 MPa升高至430 MPa。但塑性較差，需要進一步開展相關(guān)方面的研究以提高接頭的塑韌性。

參考文獻：

[1] Palmer T A，Elmer J W，Pong R，et al. Welding of Vana-dium，Tantalum，304L and 21-6-9 Stainless Steels，andTitanium Alloys at Lawrence Livermore National Laborat-ory using a Fiber Delivered 2.2 kW Diode Pumped CW Nd：YAG Laser[R]. Livermore：Lawrence Livermore NationalLaboratory，2006.

[2] MUROGA T，NAGASAKA T，ABE K，et al. Vanadium al-loys overview and recent results[J]. Journal of Nuclear Ma-terials，2002（307-311）：547-554.

[3] FUKUMOTO K，MATSUI H，NARUI M，et al. Manufactu-ring pressurized creep tubes from highly purified V-4Cr-4Ti alloys，NIFS-Heat2[J]. Journal of Nuclear Materials，2004（335）：103-107.

[4] SMITH D L，BILLONE M C，NATESAN K. Vanadium-basealloys for fusion first-wall/blanket applications[J]. Inte-rnational Journal of Refractory Metals & Hard Materials，2000（18）：213-224.

[5] Heo N J，Nagasaka T，Muroga T，et al. Metallurgical andmechanical properties of laser weldment for low activationV-4Cr-4Ti alloy[J]. Fusion Engineering and Design，2002（61-62）：749-755.

[6] ATOJI M，GAGOLA L J. Metallurgically-bonded joint be-tween vanadium and stainless-steel for dewar construction[J]. Cryogenics，1973（1）：52-53.

[7] GAN Y X，AGLAN H A，STEWARD R V，et al. Microstr-ucture-fracture toughness relationship of vanadium alloy/stainless steel brazed joints[J]. Journal of Nuclear Materi-als，2001（299）：157-164.

[8] NOGAMI S，MIYAZAK J，HASEGAWA A，et al. Study onelectron beam weld joints between pure vanadium andSUS316L stainless steel[J]. Journal of Nuclear Materials，2013（442）：562-566.

[9] 李洪強，彭勇，周琦，等. 過渡材料在高能束流連接鈦鋼中的應用[J]. 電焊機，2017，47（11）：27-30.

[10] 王亞榮，張勇智，許超，等. 基于電子束熱源的釩合金/不銹鋼連接技術(shù)研究[J]. 機械工程學報，2014，50（10）：58-64.

[11] 李杰，黃健康，靳全勝. 鋁/鋼異種金屬熔釬焊方法研究現(xiàn)狀[J]. 電焊機，2018，48（1）：109-114.