钢/铌焊接接头金属间化合物生长机制及调控研究现状
2017-03-15石铭霄陈书锦胡庆贤周方明王威林
石铭霄，陈书锦，胡庆贤，周方明，王威林，赵 健
（1.江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏镇江212003；2.中国石油西南油气田分公司工程技术研究院，四川成都610017；3.上海工程技术大学材料工程学院，上海201620）
钢/铌焊接接头金属间化合物生长机制及调控研究现状
石铭霄1，陈书锦1，胡庆贤1，周方明1，王威林2，赵 健3
（1.江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏镇江212003；2.中国石油西南油气田分公司工程技术研究院，四川成都610017；3.上海工程技术大学材料工程学院，上海201620）
钢/铌焊接结构在航空航天工业具有广阔的应用前景，但是钢/铌焊接接头极易生成金属间化合物（IMC），显著降低接头性能，因此开展IMC生长机制及其调控措施的研究具有重要的理论和实际意义。简要介绍国内外IMC生长机制及其调控措施的研究现状，指出模拟法在IMC生长机制的研究中显现出巨大的优势和潜力，是未来IMC生长机制研究发展的方向。并指明能量-冶金联合调控是抑制接头IMC生长的有效解决方案。
钢；铌；金属间化合物；生长机制；调控
0 前言
不锈钢具有强度高、塑性和耐蚀性好等优点，应用于航空发动机的诸多部件[1]。铌合金具有比强度高、热强性和高温耐蚀性优良等优点，是极具发展前景的航空发动机用轻质耐高温结构材料[2]。采用钢/铌复合焊接结构，用铌合金局部代替不锈钢，可以提高航空发动机工作温度、减轻质量，使航空发动机具有更高的推重比。但由Fe-Nb二元合金相图可知，Fe和Nb的互溶度极低，二者之间极易生成脆性金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC）Fe2Nb和Fe7Nb6，显著降低接头性能。因此研究焊接接头的IMC生长机制及其控制措施，具有重要的理论和现实意义。
1 钢/铌焊接技术研究现状及分析
近年来国内外的焊接工作者投入了大量的精力研究钢/铌异种金属的焊接。爆炸焊是钢/铌焊接中最常用的方法。有研究表明[3-5]，利用爆炸焊焊接钢与铌，可以得到高强度的焊接接头，甚至实现等强结合。但是爆炸焊主要用于生产复合板、复合棒等层状金属复合材料，存在接头形式单一的问题。熔钎焊、钎焊也是研究较多的钢/铌焊接方法，文献[6-7]研究了钢/铌电子束熔钎焊的结合层，分析互扩散层的组织、成分和性能的变化。文献[8]开展钢/铌电子束钎焊研究，利用物理-数学模型分析焊接热过程和扩散互作用过程。齐立君等人[9]选用镍基钎料研究了钢与铌的高温真空钎焊，结果表明，采用合适的工艺参数可以获得成形美观、真空密封性能好、抗热冲击性能优良的钎焊接头。采用熔钎焊和钎焊进行钢/铌焊接虽然取得了一定的效果，但是接头强度低是熔钎焊和钎焊迫切需要改进和完善的地方。
综上所述，目前钢/铌焊接主要采用爆炸焊、熔钎焊、钎焊等方法。但是爆炸焊无法避免接头形式受限的问题，而熔钎焊和钎焊的接头强度普遍偏低。高能束焊具有热输入小、焊接能量和加热位置精确可控等特点，是当前异种金属焊接的主要方法之一。采用高能束作为热源，通过预置填充金属对焊缝组织进行冶金调控，辅之以高能束能量耦合控制，消除层状IMC，有望从根本上解决钢与铌的焊接难题。
2 IMC生长机制研究现状及分析
异种金属焊接时，接头中极易生成IMC，严重恶化接头性能。因此，研究焊接接头IMC生长机制具有重要的理论和现实意义。现阶段，研究主要集中在以下两个方面。
2.1 焊接接头反应产物研究
主要研究接头中生成的IMC的类型和结构特征，分析IMC对接头力学性能的影响规律。目前对于铝/钢焊接接头反应产物的研究是最广泛最深入的。各国学者研究了铝/钢接头中铝-铁IMC的种类和晶体结构，并分析其对接头力学性能的影响规律[10-13]。结果表明，铝-铁IMC中富Fe相的塑性较富Al相有明显改善，综合力学性能也优于后者。因此，对于焊接接头来说，增加铝-铁IMC中富Fe相的比例有利于改善接头力学性能。随着钛、铌等轻质耐高温结构材料在航空航天工业中的广泛应用，钛/钢、铌/钢的焊接也被大量研究。文献[14-16]研究表明，钛/钢焊接时，接头中生成的IMC主要为Fe2Ti和FeTi，它们是接头开裂的根本原因。文献[6]对Nb-1Zr合金与304不锈钢进行了电子束熔钎焊试验，试验结果表明，Fe2Nb是引起接头脆化的主要原因。Budkin等人[8]开展了钢/铌电子束钎焊研究，结果表明，通过控制焊缝区域温度场，可以降低IMC出现的几率。
2.2 接头反应的热力学与动力学分析
研究集中于扩散焊、爆炸焊、搅拌摩擦焊、熔钎焊和钎焊等焊接方法。主要研究内容为判断接头中IMC生成的可能性和先后顺序，探讨其生长动力学特征。根据冶金热力学可知，化学反应前后系统Gibbs自由能的变化量ΔG可作为反应进行难易程度的判据：当ΔG＜0时，反应才能够自发进行，且ΔG越小，反应越容易进行。目前主要就是根据这一原理预测接头反应产物。界面反应层生长动力学行为的研究长期以来受到广泛重视。目前，大多数学者认为界面IMC层的生长是由体扩散控制，因此生长速率近似服从抛物线规律。文献[17-18]研究发现，不仅界面IMC层的生长符合抛物线规律，而且IMC层的互扩散系数满足Arrhenius方程。文献[19]的研究表明，界面反应时间t有一临界值to，当t
综上所述，虽然目前国内外已经广泛开展了IMC生长机制的研究，并且取得了一些研究成果，但是通过试验手段所能获取的IMC演化信息非常有限，难以揭示IMC生长的完整动力学过程。若能采用模拟方法再现焊接接头中IMC的形成和长大过程，并与试验研究相互补充和印证，将有助于全面理解IMC的演化规律及其影响因素。目前常用的显微组织模拟方法主要有数值模拟和物理模拟，其中数值模拟又可分为蒙特卡罗法、元胞自动机法、相场法等。相场法是利用与时间和空间有关的场变量来描述系统中显微组织的演化过程，系统的显微组织演化基于自由能最低原理，其驱动力是演化过程中系统自由能的降低[20]。场变量可分为非守恒量和守恒量。对于非守恒量，例如相场变量，其随时间的变化规律遵循Allen-Cahn方程；对于守恒量，例如成分场变量，其随时间的变化规律遵循Cahn-Hillard方程。与其他显微组织模拟方法相比，相场法能够避免跟踪各种界面，而且可以耦合温度场、流场等各种外部场，具有物理意义明确、模拟结果直观准确等特点，在显微组织的数值模拟中显现出巨大优势，为异种金属焊接接头IMC演化和生长动力学的数值模拟提供了一种新思路。已有学者采用相场法初步研究了纯金属焊接熔池中显微组织的演变过程[21]，取得了较好的效果，证明将相场法用于焊接接头显微组织模拟是切实可行的。对金属材料的热加工工艺来说，物理模拟通常指利用小试件，借助于热模拟装置再现材料在热加工过程中的组织演变过程。物理模拟能够充分而精确地揭示材料在热加工过程中的组织转变规律，从而为制定合理的热加工工艺提供理论依据，在热加工领域特别是在焊接领域得到了广泛应用。焊接接头显微组织的物理模拟研究是利用焊接热模拟装置在试件上施加与实际焊接过程相同或相似的热循环，使试件发生与接头特定部位相同或近似的显微组织转变[22]。大量的试验研究证明模拟的显微组织转变过程与实际接头相应部位的组织转变过程吻合良好[23]。
3 IMC控制方法研究现状及分析
异种金属焊接存在的主要问题是焊缝中生成IMC，引起接头脆化。因此，对IMC进行控制是异种金属焊接亟待解决的另一重要问题。目前主要从能量控制和冶金控制两方面入手解决。能量控制是对能量在两种母材上的分布进行控制，从而控制两种母材的熔化量，改善焊缝的冶金条件，该方法主要通过控制焊枪移动或偏转来实现。冶金控制是通过在两种母材的对接面处填充与两者皆相溶的金属箔片来改善接头的冶金性能，消除或抑制接头中IMC的生成[24]，目前主要是通过预置的方法添加过渡金属，如机械镶嵌、表面熔覆、热喷涂、堆焊等方法。但是单纯依靠能量控制或冶金控制很难从根本上解决接头脆性大的问题，因此将能量控制和冶金控制结合起来对接头中的IMC进行调控，无疑是一种更为合理和有效的控制方法。其基本原理是从化学性能和热物理性能匹配的角度出发，选择和设计合理的填充金属体系，结合偏束、扫描等能量控制方法，改善焊缝的冶金性能，从而抑制接头中脆性IMC的生长。
4 结论
（1）目前主要采用爆炸焊、熔钎焊、钎焊等方法焊接钢与铌。但是爆炸焊无法避免接头形式受限的问题，而熔钎焊和钎焊的接头强度普遍偏低。高能束焊凭借其独特的优势有望从根本上解决钢与铌的焊接难题。
（2）通过试验手段获取的IMC演化信息非常有限，难以揭示IMC生长的完整动力学过程。模拟法在IMC生长机制的研究中显现出了巨大的优势和潜力，是未来IMC生长机制研究发展的方向。
（3）单纯依靠能量控制或冶金控制很难从根本上解决接头脆性大的问题，因此将能量控制和冶金控制结合起来对接头中的IMC进行调控，无疑是一种更有效的解决方案。
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Page 11浅韧窝。表明摩擦压力为35 MPa时，由于热输入不足，导致焊缝存在较大面积的未焊合区。
3 结论
采用较高摩擦压力进行T2纯铜线性摩擦焊接，可以获得拉伸强度与母材接近的焊接接头。但相比钛合金等材料，T2纯铜塑性好、导热快，焊接过程接头易形成较宽的软化区，导致界面金属塑性流动差，焊接面局部易出现漩涡状流线、未焊合孔洞及夹杂缺陷。因此，对导热和塑性较好的材料进行线性摩擦焊接时，选取参数不仅要考虑热输入大小，还应考虑热输入速度，以获得无缺陷、高质量的接头。
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Research status on growth mechanism and regulation of intermetallic compound of welded joint of steel/niobium
SHI Mingxiao1，CHEN Shujin1，HU Qingxian1，ZHOU Fangming1，WANG Weilin2，ZHAO Jian3
（1.School of Materials Science and Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China；2.Engineering Technology Research Institute，PetroChina Southwest Oil&Gas Field Company，Chengdu 610017，China；3.School of Materials Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）
The welded structure of steel/niobium has broad application prospect in the aerospace industry，but the welded joint of steel/ niobium can easily generate intermetallic compound(IMC)which will significantly reduce the performance of joint，so there is great theoretical and practical significance to study the growth mechanism and regulation measures of IMC.The research status of growth mechanism and regulation measures of IMC is briefly introduced.It is pointed out that the simulation method has great advantages and potential in the research of IMC growth mechanism，which is the future development direction of study of IMC growth mechanism.And it's pointed out that energy-metallurgy combined regulation is an effective solution to inhibit the growth of IMC.
steel；niobium；intermetallic compound；growth mechanism；regulation
TG401
A
1001－2303（2017）05－0012-04
10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.03
2017-03-06
国家自然科学基金（51605205）；江苏省高校自然科学研究面上项目（15KJB460009）
石铭霄（1982—），男，讲师，博士，主要从事新材料及异种材料高能束焊接的研究工作。E-mail：smx_just @163.com。
本文参考文献引用格式：石铭霄，陈书锦，胡庆贤，等.钢/铌焊接接头金属间化合物生长机制及调控研究现状[J].电焊机，2017，47（05）：12-15.
