银过渡层对钢/铌激光焊接头组织及性能的影响

(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，成都 610017)

0 序 言

现代飞机的各项技术性能，如飞行速度、升限、航程、装载能力等，在很大程度上依赖于先进的高推重比航空发动机的应用，因此，提高航空发动机推重比对改善飞机性能意义重大[1]。

不锈钢具有强度高、塑形和耐蚀性好等优点，应用于航空发动机的诸多部件[2-3]。铌合金具有比强度高、热强性和高温耐蚀性优良等优点，是非常有发展前途的航空发动机用轻质耐高温结构材料[4]。用铌合金局部代替不锈钢，可以提高航空发动机工作温度、减轻其重量，使航空发动机具有更高的推重比，满足新一代飞机对高推重比航空发动机的需求。

用铌合金部分取代不锈钢，必然要涉及到铌合金与不锈钢的连接问题。已有研究结果表明，铁-铌金属间化合物的生成是降低接头强度的主要原因，其中Fe2Nb降低接头强度的作用最显著[5]。目前主要采用爆炸焊、熔钎焊、钎焊等方法焊接不锈钢与铌合金。但是采用钎焊和熔钎焊焊接不锈钢与铌合金，普遍存在接头强度低的问题[5-9]。而采用爆炸焊焊接不锈钢与铌合金，虽然可以得到高强度的焊接接头，但是该方法只能够焊接大面积层状金属复合材料，无法焊接对接等接头形式的构件，存在接头形式单一的问题[10-11]。激光焊具有热输入小、焊接能量和加热位置精确可控等特点，非常适合钢与铌等活泼金属的连接[12-15]。因此，大力发展不锈钢/铌合金复合结构的激光焊接技术，可以促进其在飞机制造业中的推广应用，对于提升国内先进飞行器的整体制造水平具有重要意义。

文中拟以钢/铌激光焊为研究对象，探讨银过渡层对接头组织及性能的影响规律，为钢/铌异种金属的焊接提供理论指导和技术支持。

1 试验方法

试验所用母材为纯铌和304不锈钢。 过渡层材料选用纯银。 母材被线切割成50 mm×25 mm×2 mm的平板，过渡层材料被线切割为50 mm×2 mm×(1，0.8，0.6，0.4，0.2)mm的薄片。在焊接前，先用砂纸打磨试样表面以去除表面氧化膜和油污，再用脱脂棉分别蘸取丙酮和酒精清洗试件表面，确保材料表面清洁没有污染。 将过渡层预置于钢/铌对接面处进行焊接，激光束作用于过渡层中心线上。焊接参数为：激光功率P=2 kW，焊接速度v=1.2 m/min，离焦量△f=0。焊接过程使用氩气作为保护气体，前保护气流量Q1为15 L/min，背保护气流量Q2为15 L/min。

焊后采用线切割截取金相试样，经打磨、抛光后采用铌合金腐蚀液(HNO3∶HF=1∶3)进行腐蚀。 腐蚀好的试样用扫描电镜、能谱仪等分析测试手段对焊缝组织进行分析。 采用电子万能试验机进行室温拉伸试验，室温抗拉强度测试的加载速度为2 mm/min。

2 试验结果及分析

2.1 银过渡层对接头强度的影响

采用1 mm厚度的银过渡层进行了钢与铌的激光焊接试验，焊后接头表面形貌如图1所示。从图中可以看出采用银过渡层的焊缝成形良好，无表面成形缺陷产生。上述试验结果表明银可以作为连接钢与铌的候选过渡层材料。

图1 添加银过渡层的接头表面形貌

使用1 mm厚度的银作为中间层的焊缝显微组织如图2所示。 表1为图2中A,B相的能谱分析结果。从图2可以看出，采用银作为中间层的焊缝显微组织是由基体相A和弥散分布在其上的相B组成。由能谱分析结果可知相A和相B都是银晶体。表明焊缝主要是由银组成，银层有效阻隔了铁、铌原子之间发生互扩散，因而阻止了铁-铌金属间化合物的生成，实现了钢和铌的连接。此外，银的塑性和韧性很好，可以通过塑性变形使接头的应力得到松弛，也有利于接头强度的提高。

图2 使用银作为中间层的焊缝显微组织

打点位置FeAgCrNiCu可能相A0100000AgB0100000Ag

2.2 银过渡层厚度对接头组织和力学性能的影响

图3为银过渡层厚度对接头强度的影响规律。可以看出，接头强度随着银过渡层厚度的增大而增大，当银过渡层厚度为1 mm时，接头强度达到198 MPa，表明银过渡层厚度对接头强度有重要影响。

图3 银层厚度对接头强度的影响

使用不同厚度银过渡层的焊缝显微组织如图4所示。图4中各个相的能谱分析结果见表2。使用0.2 mm厚度银过渡层的焊缝显微组织是由基体相A和分布在其上的相B组成(图4a)。结合能谱分析结果(表2)可知相A是奥氏体γ相，相B是Fe2Nb。因为银过渡层厚度仅有0.2 mm，所以对铁、铌原子互扩散的阻碍作用十分微弱，铁、铌原子可以通过互扩散充分混合。随着温度降低，将首先从液相中析出奥氏体，当奥氏体中的铌含量超过其固溶度极限时，就会自奥氏体中脱溶析出Fe2Nb。因为Fe2Nb是硬脆相，所以当焊缝组织中出现Fe2Nb时，接头强度很低。

当银过渡层厚度由0.2 mm增加到0.4 mm时，焊缝显微组织是由基体相C组成(图4b)。结合能谱分析结果(表2)可知相C是银基固溶体.当银过渡层厚度为0.4 mm时，焊缝金属主要是由银组成，因为铁的熔点远低于铌，所以焊缝中也含有少量的铁，而铌由于熔点很高，因而在焊缝中没有发现铌。由铁-银相图可知[15]，尽管铁和铜之间不形成金属间化合物，但是二者之间互溶度极低，因此在快速冷却条件下铁来不及析出，就会形成银基过饱和固溶体。因为基体相是软韧的银基固溶体，所以接头强度较高。

表2 特征区元素含量(原子分数,%)

随着银过渡层厚度进一步增加，可以获得和图4b相似的显微组织(图4c,4d,4e)。它们之间的主要差异是随着银层厚度的增加，显微组织中铁含量减少。这主要是因为随着银层厚度增加，对铁、铌原子互扩散的阻碍作用逐渐增强，导致焊缝中的铁含量减少。

图4 使用不同厚度银过渡层焊缝的显微组织

3 结 论

(1)采用纯银作为过渡层材料焊接钢与铌，可以实现钢与铌的连接，焊后接头表面成形良好，无成形缺陷产生。

(2)随着银过渡层厚度增加，银过渡层对于Fe2Nb形成的阻碍作用增强，接头强度也随之提高，当银过渡层厚度为1 mm时，接头强度达到198 MPa。Fe2Nb的生成是降低接头强度的关键因素。

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