B2-MoNi在Mo合金真空激光焊接接头中的原位形成及其强化机制

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B2-MoNi在Mo合金真空激光焊接接头中的原位形成及其强化机制

时间：2026年2月10日

来源：Materials Science and Engineering: A

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钼合金焊接接头通过真空激光焊接引入镍箔，成功形成纳米级B2型MoNi相，抑制晶粒粗化并降低界面晶格失配，使接头强度从149 MPa提升至373 MPa。研究表明晶粒细化、位错强化和MoNi相沉淀协同作用提升强度，其中沉淀强化贡献最大。

哈尔滨工业大学材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001，中国

摘要

钼合金固有的脆性和超高的熔点导致其焊接性能较差，焊接接头的抗拉强度通常低于150 MPa。在这项研究中，通过在真空激光焊接Mo–5Re管的过程中加入0.1毫米厚的镍箔，利用快速凝固和原位反应机制，成功诱导出了细小且分布均匀的B2型MoNi相。结果表明，B2型MoNi相分布在晶界和晶间区域，显著抑制了晶粒生长。此外，还形成了具有纳米级过渡层的半相干MoNi–Mo界面，有效减少了晶格失配。因此，熔合区的晶粒尺寸从125.2 μm减小到42.4 μm，位错密度增加了41%。细小分布的MoNi颗粒作为第二相强化剂，共同提升了接头的性能。因此，焊接接头的抗拉强度从无镍条件下的149 MPa提高到了含0.1%镍条件下的373 MPa，尽管过量的镍会导致偏析引起的粗化和强度下降。定量分析表明，晶粒细化、位错强化和MoNi诱导的沉淀强化对强度提升的贡献相当，其中沉淀强化贡献最大。本研究证明，在真空压力下原位形成MoNi是一种有效的方法，可以克服难熔钼合金接头的焊接限制。

引言

钼（Mo）合金因其高熔点、优异的高温强度和良好的抗辐照性能而被广泛认为是先进裂变和聚变反应堆关键组件的候选材料[1]、[2]、[3]。在这样的服役环境中，组件会受到极端的温度梯度和复杂的应力状态的影响，因此结构的完整性主要取决于焊接接头的性能，而非基体材料本身[4]、[5]。然而，在传统的熔焊条件下，钼合金的焊接接头金属通常具有粗大的柱状晶粒、明显的成分偏析和脆性的晶间特征。因此，接头的性能显著低于锻材本身的强度水平[6]、[7]。因此，关键问题不仅是要实现钼基组件的可靠连接，还要将焊接接头金属从弱连接微观结构转变为能够满足服役要求的精细、耐损伤的微观结构。

为了提高钼基合金的焊接性能，人们探索了电子束焊接、激光焊接和电弧焊接等焊接工艺。这些工艺旨在减少氧化、提高能量利用率并稳定焊接过程，从而改善焊接接头的形态和内部缺陷[8]、[9]、[10]。这些工艺在一定程度上减轻了气孔、未熔合及相关缺陷的问题，并改善了焊缝的表面外观。然而，高熔点合金的凝固微观结构所带来的固有限制并未消除。熔合区仍然容易形成粗大的柱状晶粒、溶质富集的晶界和脆性的反应层。此外，室温下的强度问题仍然很严重[5]、[11]。这表明，仅靠工艺参数控制往往不足以获得同时具有晶粒细化和满意性能的焊接接头。因此，需要采用冶金控制方法，将焊接接头视为一个具有刻意设计的相和界面的快速凝固合金系统，而不仅仅是基体材料的熔化部分[12]、[13]、[14]。在现有的高能量密度熔焊工艺中，激光焊接可以在非常狭窄的熔合区内实现深穿透、低热输入和高冷却速率，有利于在焊接接头中构建可控的成分和非平衡凝固微观结构。当激光热源与真空环境结合时，周围气体的密度和蒸汽诱导的反冲压力降低，关键孔和熔池流动稳定性得到改善，合金元素的蒸发损失也得到缓解[15]、[16]、[17]。这些特性为特定金属间相的形成提供了相对可控的热力学和动力学条件，从而为研究钼合金焊接中设计界面的形成提供了合适的平台。

基于此，人们在钼合金焊接接头的设计中引入了合金添加剂和反应性中间层。先前的研究向钼基合金中添加了Zr、Hf、Nb和稀土元素等元素，以生成氧化物分散体或金属间化合物，旨在实现晶粒细化和高温强化[18]、[19]、[20]、[21]。然而，这些元素的熔点非常高且扩散率低。在熔焊特有的陡峭温度梯度和高冷却速率下，它们倾向于在晶界处偏聚或形成不连续且常常脆性的反应层，而不是在焊接接头中形成细小且均匀分布的界面相。因此，实现精细的晶粒、稳定的界面结构和足够的强度具有挑战性。换句话说，许多为锻材或粉末加工的Mo–Re合金开发的传统合金概念无法直接应用于焊接接头，因为焊接接头中的凝固路径和动力学条件与锻造或烧结过程有根本不同。

在各种合金元素和中间层材料中，镍在钼基体系中的冶金响应与上述高熔点元素不同。镍改善了熔池的润湿性和流动性，从而拓宽了钼合金的焊接窗口[22]、[23]。此外，镍与钼形成了有序的金属间化合物，如B2型MoNi和MoNi₃[24]、[25]。对含镍钼合金和Mo–Ni钎焊接头的研究表明，Mo–Ni相可以通过形成硬质金属间区域或纳米级沉淀物来增强强度[26]。然而，在大多数钎焊接头中，MoNi型金属间相表现为界面区域的连续反应层或体内的相对粗大的块状相。这些形态常常导致界面脆化，限制了Mo–Ni相作为有效强化单元的潜力。同时，理论计算和实验观察表明，B2型MoNi在快速凝固条件下可以稳定[27]。这种稳定性可能导致与钼的晶格失配相对较低，可能形成具有更好机械兼容性的半相干MoNi和Mo界面[28]。这些发现表明，如果在焊接金属中有意形成细小、分布均匀且界面兼容性良好的B2型MoNi，MoNi可以从脆性反应产物转变为有目的设计的界面相。这种转变可以重构钼合金焊接接头的微观结构和性能。然而，目前尚不清楚在快速凝固条件下是否可以可控地形成这种细小、分布均匀的B2型MoNi。此外，这种相对晶粒生长、位错结构、沉淀行为以及相关强化机制的影响需要系统地澄清。

在这项研究中，采用真空压力激光焊接方法连接Mo–5Re管，并在焊接过程中引入镍箔作为可控的合金源。通过调整镍的供应量和焊接参数，获得了熔合区局部富镍且接近MoNi化学计量的钼富集组成。Scheil模拟和X射线衍射分析了焊接接头中MoNi的相形成顺序。透射电子显微镜表征了MoNi和Mo界面及其结构过渡区的原子级结构特征。该研究系统地考察了MoNi对熔合区晶粒生长、位错结构演变和沉淀特性的影响，评估了不同强化机制对焊接接头抗拉性能的贡献。进一步建立了MoNi–界面–微观结构–性能框架，为将难熔合金焊接设计从工艺优化转向以界面和相工程为重点的方法提供了可验证的例子。

材料与镍元素微合金化过程

本研究使用了壁厚为1毫米、铼含量为5 wt%的热轧Mo-5Re合金管作为基材。在真空压力激光焊接钼合金接头的微合金化过程中，使用了厚度分别为0.05毫米、0.1毫米和0.15毫米的N4镍箔（镍含量：99.9 wt%）。焊接前，用砂纸打磨Mo-5Re合金管，并通过超声波清洗去除表面氧化层和油污。

原位相形成与表征

图2展示了使用不同厚度镍箔进行真空压力激光焊接所得钼合金焊接接头的宏观和微观结构形态。如图2(a)-(e)所示，未添加镍中间层时，熔合区主要由粗大的柱状晶粒组成，晶界分布不均匀，热影响区（HAZ）具有较宽的过渡区域。EBSD显示平均晶粒尺寸为125.2 μm，KAM值为0.37°。

MoNi的形成

在0.1毫米厚的镍箔条件下，熔合区由熔融钼基体和镍中间层组成。根据焊接接头的宽度（如图2(k)所示，有效混合区域约为1.5毫米宽。利用钼（10.28 g·cm^-3）和镍（8.90 g·cm^-3）的密度将宽度分数转换为质量分数，完全熔合和均匀混合后，平均组成为约94.2 wt.%的钼和5.8 wt.%的镍。

结论

在这项工作中，采用了一种在亚大气压激光焊接钼合金过程中原位生成MoNi的策略，以提高焊接接头的抗拉强度。系统地揭示了原位MoNi形成所带来的效应和潜在机制。主要发现总结如下：

镍箔中间层显著改变了Mo–5Re接头的熔合区组成和微观结构。0.1毫米厚的镍层产生了富含钼的熔合区。

CRediT作者贡献声明

Xiaoguo Song： 项目管理。 Yuxi Yang： 验证、研究。 Fuyun Liu： 撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。 Ruihan Li： 研究。 Bingxiao Xu： 撰写 – 初稿、软件、方法论、数据管理、概念构思。 Guolong Ma： 项目管理。 Xiaohui Han： 项目管理。 Jianhui Su： 概念构思。 Ge Zhang： 概念构思。 Caiwang Tan： 项目管理、资金获取。 Fujia Xu： 项目支持。