陳遠(yuǎn)亭，李先芬，陳柏炎

（合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230001）

鎢（W）是國際上重要的戰(zhàn)略金屬之一，具有硬度高、熔點(diǎn)高、蒸氣壓低、線膨脹系數(shù)低以及在常溫下不受空氣侵蝕等特點(diǎn)。W的提取得到迅猛發(fā)展源于1900年的巴黎世界博覽會(huì)，在此次博覽會(huì)上首次展出了高速鋼，W元素是其重要組成成分，它具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性等優(yōu)異性能，擁有非常廣闊的應(yīng)用前景[1]。經(jīng)過百余年的發(fā)展，W及其合金在冶金、國防、電子、核電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，如碳化鎢基硬質(zhì)合金、耐磨合金、觸頭材料和偏濾器部件等。

在實(shí)際應(yīng)用中，W與異種材料的熔點(diǎn)相差比較大，不適合使用氬弧焊、埋弧焊等熔化焊方式，一般采用釬焊及擴(kuò)散焊來實(shí)現(xiàn)材料之間的連接。釬焊具有低成本、高質(zhì)量、焊接性能優(yōu)異等特點(diǎn)，而擴(kuò)散焊具有精度高、變形小、焊接接頭質(zhì)量好等特點(diǎn)，但釬焊在尺寸精度、生產(chǎn)效率方面有明顯優(yōu)勢[2-4]。W在與異種材料進(jìn)行釬焊時(shí)，由于材料之間的線膨脹系數(shù)相差較大，如在20～800 ℃，W的線膨脹系數(shù)為4.8×10?6/℃，而 Cu 的線膨脹系數(shù)為 19.64×10?6/℃，不銹鋼的線膨脹系數(shù)為 11.21×10?6/℃[5-6]，這就會(huì)導(dǎo)致焊接接頭部位在冷卻過程中產(chǎn)生大的焊接應(yīng)力，削弱焊接接頭的力學(xué)性能，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致焊接接頭的開裂[7]。大量的研究表明，通過添加適宜的中間層可以解決上述問題。中間層的添加不僅可以減緩因線膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)中間層的活性原子還可以改善焊接接頭的力學(xué)性能。例如，在以陶瓷和1Cr18Ni9Ti不銹鋼為母材，Ag?Cu?Ti為釬料，泡沫 Ni作為中間層的釬焊過程中，焊接接頭的剪切強(qiáng)度能夠達(dá)到80.9 MPa，是不添加中間層的9.4倍[8]。雖然研究人員對釬焊已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但我們也要清晰地認(rèn)識(shí)到：科技在不斷進(jìn)步，新材料在不斷涌現(xiàn)，釬焊技術(shù)仍然存在許多的問題需要我們?nèi)ヌ骄俊?/p>

1 釬 焊

釬焊是采用比基體材料熔點(diǎn)低的金屬材料作為釬料，在高于釬料熔點(diǎn)，但低于基體材料熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料在基體表面潤濕、鋪展，并與基體材料相互溶解和擴(kuò)散，填充基體材料間隙而實(shí)現(xiàn)基體材料間連接的焊接技術(shù)[9]。釬焊作為一種成熟的焊接工藝，已經(jīng)被普遍用于機(jī)械工程、熱能工程、海洋工程及通信工程等領(lǐng)域。對于W的釬焊，其焊接溫度一般都高于900 ℃，屬于高溫釬焊的范疇。

釬焊作為一種古老的焊接工藝，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：釬焊溫度較低，對基體材料的整體性能影響較??；能夠?qū)崿F(xiàn)異種金屬材料間的連接以及金屬與非金屬材料間的連接。正因如此，釬焊技術(shù)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

在釬焊過程中，釬料是不可或缺的部分。在釬料填充釬縫過程中，液態(tài)釬料與固態(tài)基體材料間存在溶解和擴(kuò)散過程，即基體材料向釬料中的溶解和釬料元素向基體材料中擴(kuò)散的過程。溶解和擴(kuò)散過程會(huì)使得液態(tài)釬料的物理性質(zhì)發(fā)生變化，如密度、粘度和熔點(diǎn)等。

釬料的選擇一般根據(jù)被連接件的不同而有所差異。在釬焊過程中，液態(tài)釬料中的活性元素會(huì)與基體材料和中間層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成化合物，致使液態(tài)釬料的活性降低，使基體材料的潤濕性變差，導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度降低。一般對釬料的基本要求有[10-11]：具有合適的熔點(diǎn)（比基體材料低幾十℃）；良好的潤濕性能；能夠與基體材料發(fā)生充分的溶解與擴(kuò)散；釬料成分穩(wěn)定、均勻；釬焊接頭合乎技術(shù)要求；具有經(jīng)濟(jì)性、安全性（少用有毒材料及重金屬）。

2 W的發(fā)展

W是重要的稀有金屬，自18世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了W的存在后，經(jīng)過百余年的探索，W開始用于生產(chǎn)硬化鋼與合金鋼。此后，W的應(yīng)用越來越廣泛，得到了快速的發(fā)展。中國的W礦儲(chǔ)量、W精礦產(chǎn)量以及W出口量雖然均占全球鰲頭，但中國的鎢產(chǎn)業(yè)依然處在全球鎢產(chǎn)業(yè)鏈的中下端。與國際先進(jìn)鎢企業(yè)比較，我國在科研以及市場領(lǐng)域還存在較大差距，特別是W精深加工的核心領(lǐng)域鮮有革命性突破，自主研發(fā)成果少。生產(chǎn)的產(chǎn)品也多為中低檔產(chǎn)品，無法滿足國內(nèi)高端產(chǎn)業(yè)的需求，大量高技術(shù)含量、高附加價(jià)值的W產(chǎn)品仍依賴進(jìn)口[12]。

W的應(yīng)用大致可以分為4個(gè)方向[13-18]：

（1）機(jī)械行業(yè)：用于特殊用途的碳化物，如切削、耐磨、焊接和噴涂方面；作為高速鋼、工具鋼和模具鋼的重要組成金屬元素。以中國為例，硬質(zhì)合金年產(chǎn)量可達(dá)到1.8萬t，全國高速鋼鋼錠總產(chǎn)量達(dá)到10萬t以上。

（2）電子行業(yè)：主要用于電燈燈絲、通訊設(shè)備、加熱元件等。中國的W絲生產(chǎn)量在20世紀(jì)90年代時(shí)就已達(dá)到了數(shù)十億米，在很大程度上促進(jìn)了中國照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（3）國防事業(yè)：用于軍工領(lǐng)域、核聚變試驗(yàn)裝置部件、航空航天領(lǐng)域等，W/鋼的釬焊研究源于近年來偏濾器部件的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型。

（4）化工行業(yè)：用于生產(chǎn)特種鋼材，以及緩蝕劑、催化劑、紡織染料、陶瓷釉料等重要化工制品，如加氫催化劑WO3的使用對于合理利用有限石油資源、減少大氣污染具有重要意義。

致密W的制備方法主要分為熔煉法和粉末冶金法，受限于W高達(dá)3 410 ℃的熔點(diǎn)，制備W的方法主要是粉末冶金法。熔煉法通常用于制備WC和W渣提純。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)研發(fā)出了低溫?zé)Y(jié)、瞬時(shí)液相燒結(jié)以及微波燒結(jié)等方法來獲得W的細(xì)晶組織。制備中低檔的W及鎢合金常用粉末冶金法：以W粉末或W粉末與其他非金屬粉末的混合物作為原料，再經(jīng)成形和燒結(jié)來得到各種類型制品。Cordero等[19]使用球磨后快速放電等離子燒結(jié)方法制備了晶粒度為130 nm 的超細(xì)晶鎢合金，硬度可達(dá)12 GPa，動(dòng)態(tài)沖擊強(qiáng)度4.14 GPa。制備高致密度、高性能的W產(chǎn)品是通過制備目標(biāo)產(chǎn)物的納米粉末然后燒結(jié)得到的，范景蓮等[20]采用機(jī)械合金化法制備了90W7Ni3Fe納米復(fù)合粉末，然后在約1 400 ℃下燒結(jié)后得到了晶粒尺寸為3～5 μm的鎢合金，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 130 MPa。

研究W釬焊工藝時(shí)，W作為釬焊接頭的重要組成部分，不能忽視它對釬焊接頭成形、脆性相生成、釬焊接頭力學(xué)性能等的影響，這也是現(xiàn)今研究W釬焊工藝所面臨的重要課題。

3 W的釬焊

3.1 W/鋼釬焊

在W/鋼的高溫釬焊過程中，由于兩種基體材料的物理性能相差較大，添加合適的中間層能夠有效緩解因材料熱膨脹系數(shù)差異引起的殘余應(yīng)力。Kalin等[21]采用50Fe?50Ni合金作為中間層來實(shí)現(xiàn)W/鋼體系的連接，結(jié)果表明，50Fe?50Ni合金中間層的添加能夠有效緩解熱循環(huán)測試中殘余應(yīng)力的累積，具有很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。劉書華[22]采用Ni基微晶釬料，在不添加中間層時(shí)，W/鋼釬焊接頭抗拉強(qiáng)度在160 MPa左右；添加V中間層后，W/鋼釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度在143 MPa左右。分析認(rèn)為是由于V與釬料中的B，Ni等元素反應(yīng)生成脆性相，導(dǎo)致釬焊接頭抗拉強(qiáng)度比不添加中間層時(shí)還低；添加Nb中間層后，W/鋼釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度在284 MPa左右；采用 Ni?Cu 合金及 Ni?Fe合金為中間層，W/鋼釬焊接頭抗拉強(qiáng)度大約為300和310 MPa。可以看出Ni在W/鋼的釬焊中具有明顯的優(yōu)勢。

目前核聚變試驗(yàn)裝置中的偏濾器正在從水冷型向氦冷型發(fā)展，相應(yīng)的偏濾器結(jié)構(gòu)材料也將由不銹鋼發(fā)展到低活化鋼、ODS鋼等[23]。未來的核聚變裝置將會(huì)產(chǎn)生大量的中子輻照，而Ni會(huì)因?yàn)橹凶虞椪斩a(chǎn)生氦聚集，導(dǎo)致釬焊接頭變脆，將不能作為偏濾器部件釬焊的中間層。對此，Kalin 等[24]研究了以 Ta作為W與ODS鋼連接的中間層的釬焊接頭，通過熱循環(huán)試驗(yàn)表明該結(jié)構(gòu)具有高的穩(wěn)定性。Oono等[25]在研究W/ODS鋼釬焊界面組織成分時(shí)發(fā)現(xiàn)，在1 200 ℃保溫240 min后，W原子向鋼基體中發(fā)生了明顯擴(kuò)散，而ODS鋼中僅有少量的Fe原子和Cr原子擴(kuò)散到W基體中。這是由于原子之間的擴(kuò)散速率相差較大造成的，在1 200 ℃時(shí)，DW=108DCr和DW=400 DFe（D為擴(kuò)散系數(shù)），顯然W原子的擴(kuò)散能力遠(yuǎn)高于Fe原子和Cr原子的擴(kuò)散能力。

W/鋼體系的釬焊常采用Ni基、Fe基和Ti基的高溫釬料[26]，釬焊溫度偏高，在過高的溫度下保溫易導(dǎo)致鋼基體晶粒粗化，致使釬焊接頭力學(xué)性能較母材下降明顯，因此需對釬焊接頭進(jìn)行焊后熱處理來改善鋼基體性能，提高釬焊接頭強(qiáng)度。但焊后熱處理將延長生產(chǎn)周期，增加額外能耗，提高生產(chǎn)成本。因此，針對W/鋼體系的釬焊，研究人員提出了激光釬焊[27]的方法。但激光焊接設(shè)備非常昂貴，且其技術(shù)不成熟，仍處于研究階段，未能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

3.2 W/Cu釬焊

W具有高熔點(diǎn)、低膨脹率和高強(qiáng)度的特點(diǎn)，Cu則具有優(yōu)異的高導(dǎo)熱性能，因而W/Cu連接件能兼具良好的導(dǎo)熱性能和低熱膨脹率，是一種較為理想的熱沉材料，在核聚變試驗(yàn)裝置中擁有廣闊的應(yīng)用空間[28]。

釬焊也廣泛應(yīng)用于W/Cu的連接中，Barabash等[29]采用Cu?Mn系釬料制備的W/CuCrZr連接件可以承受20 MW/m2，1 000次的電子束疲勞試驗(yàn)。在W/CuCrZr合金的實(shí)際釬焊應(yīng)用中，同樣可以通過引入中間層的方法來緩解釬焊接頭的熱應(yīng)力，提高釬焊部件的壽命。試驗(yàn)結(jié)果表明，在釬焊過程中選擇W?Cu功能梯度材料作為W/CuCrZr合金連接的中間層時(shí)，可以有效緩解釬焊接頭部位的應(yīng)力集中，提高接頭的力學(xué)性能和使用壽命[30]。Maksimova等[31]對Cu?Mn系釬料進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，PM?72 型釬料（Cu?37Mn?1Fe?1Ni?1Si）在釬焊使用中獲得的接頭抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到242 MPa，在26～28 MW/m2的電子束載荷下承受1 000次循環(huán)的測試而不發(fā)生失效。

駱瑞雪等[32]也研究了不同釬料對W/Cu釬焊接頭 強(qiáng) 度 的影 響 ，以 4 種 釬料 Au?Ni，Ni?Cr?B?Si，Cu?Mn?Fe?Co，Ag?Cu?Ti作為試驗(yàn)釬料，經(jīng)多次試驗(yàn)測得釬焊接頭剪切強(qiáng)度分別為130～180 MPa，24.7～ 41.3 MPa，15～ 19.5 MPa，124～ 168 MPa。Ni基釬料中Ni元素與W基體中W元素在釬焊溫度下會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，生成脆性化合物，造成釬焊接頭剪切強(qiáng)度偏低。而Cu基釬料對W的潤濕性和流動(dòng)性差，易產(chǎn)生明顯的宏觀裂紋，從而導(dǎo)致了極低的剪切強(qiáng)度。Ag基和Au基釬料剪切強(qiáng)度最高，這是因?yàn)锳u基的液相線和固相線相同，蒸汽壓低，流動(dòng)性好以及潤濕性良好；而Ag基釬料具有熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好等特點(diǎn)，同時(shí)釬料中Ti元素對W的化學(xué)活性保證了W/Cu能夠?qū)崿F(xiàn)緊密連接。

3.3 W/W釬焊

核能被認(rèn)為是未來最具發(fā)展前景的綠色能源之一。核能工業(yè)中儲(chǔ)能磁約束核聚變堆試驗(yàn)裝置是獲得受控?zé)岷司圩兡艿闹匾M成部分，而偏濾器是該試驗(yàn)裝置的核心部件[33]。W及其合金材料的優(yōu)異性能（高熔點(diǎn)、低蒸氣壓以及低濺射腐蝕率）在面向等離子體材料的發(fā)展上將具有廣闊的發(fā)展空間，未來全W偏濾器可逐步替代W/Cu偏濾器，從根本上提高其凈化功能[34]。

霍方方[35]使用 Ni基、Ti基釬料釬焊 W/W時(shí)，發(fā)現(xiàn)母材和釬料熔合均較為緊密，接頭熔合線附近沒有裂紋、氣孔等缺陷產(chǎn)生，兩種釬料得到的釬焊接頭強(qiáng)度都與母材的剪切強(qiáng)度較為接近。Sánchez等[36]使用Ni?Mg合金作為柔性填充帶研究W/W的釬焊，在1 075 ℃得到的W/W釬焊接頭的剪切強(qiáng)度可以達(dá)到280 MPa。雖然最終的試驗(yàn)結(jié)果并不滿足氦冷卻偏濾器最高使用溫度（約1 200 ℃）的要求，但對于未來的W/W釬焊研究仍具有參考價(jià)值。

De Prado等[37]為實(shí)現(xiàn)彎曲部件的W/W釬焊，使用86Fe?14Ti粉末與粘接劑質(zhì)量比分別為95 ∶ 5和90 ∶10兩種柔性釬料來改善釬焊過程。結(jié)果表明，在1 350 ℃ 保溫10 min的工藝參數(shù)下，W/W釬焊接頭成形良好，這表明W基材料的力學(xué)性能在釬焊過程中沒有發(fā)生惡化。試驗(yàn)測得兩個(gè)接頭的剪切強(qiáng)度都約為44 MPa，都滿足了構(gòu)件的基本力學(xué)性能要求，但粉末和粘接劑比例為90 ∶ 10的柔性釬料在減少裂紋和減弱脆化現(xiàn)象上更具優(yōu)勢，更適合用于彎曲部件，而粉末、粘接劑質(zhì)量比為95 ∶ 5的釬料則相對適用于平板釬焊。

4 結(jié)束語

如前文所述，未來全W偏濾器將逐步替代W/Cu偏濾器，從根本上提高其凈化功能。但目前對于W的釬焊研究多集中于W/Cu，W/鋼等，而對同樣具有應(yīng)用潛力的W/W的釬焊研究較少，這將成為未來的研究重點(diǎn)。

現(xiàn)階段常用于W的釬焊的釬料主要包括Ni基、Ti基、Fe基、Ag基和 Au基釬料，后兩者的潤濕性、流動(dòng)性都好于前三者，能夠得到緊密連接的釬焊接頭，但生產(chǎn)成本相對較高，限制了Ag基和Au基釬料的使用。而Ni基、Ti基、Fe基釬料使用過程中常會(huì)生成脆性化合物，產(chǎn)生溶蝕缺陷等，惡化釬焊接頭力學(xué)性能。開發(fā)出適用于W的釬焊，并且經(jīng)濟(jì)、高效的釬料將是未來的研究方向。

目前，對于W的釬焊過程中釬料的潤濕與擴(kuò)散還缺乏有效的理論模型，這需要通過對釬焊成形進(jìn)行更深入的理論研究，同時(shí)借助于計(jì)算機(jī)對成形過程進(jìn)行模擬。對于這方面的研究，國內(nèi)外都鮮有成果，這將是未來的研究重點(diǎn)。