王亞榮　余洋　雷華東

摘要：釩基合金被公認(rèn)為是理想的聚變反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料，為了更有效和經(jīng)濟(jì)地利用釩基合金，需要將釩合金與不銹鋼進(jìn)行連接。通過(guò)電鍍Ni+Au作為復(fù)合中間層，采用電子束阻隔熔化焊方法來(lái)實(shí)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(dǎo)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(qiáng)度最高達(dá)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(fù)合鍍層

中圖分類號(hào)：TG456.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(diǎn)是其在中子輻照條件下的低激活特性和優(yōu)良的高溫強(qiáng)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(dǎo)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(yīng)用前景，目前主要應(yīng)用在航空、國(guó)防、核聚變和高溫環(huán)境等領(lǐng)域[4]。

釩基合金應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)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(guó)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(shí)驗(yàn)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(guò)程復(fù)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(qiáng)度差別非常大，抗拉強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別為245 MPa、1.3%，83 MPa、0.15%，42 MPa、0.16%和85 MPa、0.15%，對(duì)比分析認(rèn)為AuNi可以很好地潤(rùn)濕釩合金和不銹鋼，得到的接頭具有較好的塑性。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)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?yàn)槠涫窒∪?，不能在工程中普遍?yīng)用[9-11]，所以釩合金與異種材料連接的復(fù)合結(jié)構(gòu)成為發(fā)展的趨勢(shì)。鑒于AuNi釬料對(duì)于釩合金與不銹鋼的釬焊效果，本項(xiàng)目擬采用Ni+Au復(fù)合鍍層作為中間添加層，電子束熔化連接釩合金不銹鋼來(lái)研究中間層材料對(duì)釩合金與不銹鋼的界面組成和接頭性能的影響，為實(shí)現(xiàn)釩合金/不銹鋼的有效連接提供有益參考，同時(shí)也為類似難焊異種金屬材料連接提供一種思路。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為釩合金V-5Cr-5Ti和不銹鋼HR-2，化學(xué)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(xué)除油再酸洗活化后，在不銹鋼一側(cè)的對(duì)接面預(yù)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(fù)合金屬阻隔層。焊前對(duì)焊接試件表面進(jìn)行處理，對(duì)于不銹鋼試件，直接用丙酮清洗，去除表面油污;對(duì)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(guò)后用清水反復(fù)沖洗，之后丙酮浸泡、風(fēng)干，保持試件表面的清潔與干燥，之后在高真空電子束焊機(jī)中進(jìn)行焊接。

采用電子束偏束焊接的方法實(shí)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(jìn)行高速焊接，電子束移動(dòng)時(shí)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(yàn)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(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫接頭質(zhì)量

對(duì)于釩合金與不銹鋼的連接來(lái)說(shuō)，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(fù)合阻隔層金屬元素Ni-Au的添加目的是通過(guò)外加元素來(lái)阻止或減弱脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，并影響其分布。當(dāng)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(jìn)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(dǎo)致焊接試板沿著對(duì)接面直接貫穿斷裂。而電子束流偏向不銹鋼一側(cè)時(shí)，釩合金與不銹鋼的試件實(shí)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(duì)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(yīng)區(qū)（RZ）、不銹鋼母材，構(gòu)成兩個(gè)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(yīng)區(qū)與釩側(cè)的反應(yīng)界面（見(jiàn)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(shí)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(duì)界面Ⅰ顏色相對(duì)變淺的B區(qū)和界面Ⅱ底部顏色些許變深的B區(qū)進(jìn)行放大，如圖5所示。對(duì)圖中標(biāo)識(shí)的不同區(qū)域進(jìn)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(yīng)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(yīng)界面下部的B區(qū)是一個(gè)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(qiáng)度

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

在室溫下對(duì)連接接頭進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)。拉伸強(qiáng)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(qiáng)度沿著焊接方向逐漸升高，由165.8 MPa升高至430 MPa。說(shuō)明在焊接過(guò)程中，束流的偏移距離以及熱量的積聚導(dǎo)致焊縫結(jié)合界面元素組成的差異，不同部分的拉伸強(qiáng)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(dǎo)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(duì)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(yīng)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(fù)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(guò)電子束流的偏移來(lái)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(shí)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(yīng)，一定程度上降低了釩合金與不銹鋼連接時(shí)反應(yīng)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(duì)熔化母材界面反應(yīng)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(qiáng)度逐漸升高，由165 MPa升高至430 MPa。但塑性較差，需要進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)方面的研究以提高接頭的塑韌性。

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