采用BNi-1填充材料的瞬态液相（TLP）焊接Inconel 625合金的微观结构演变、力学性能及腐蚀行为

时间：2026年2月24日

来源：Materials Chemistry and Physics

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TLP键合技术用于Inconel 625与BNi-1填充金属的连接，研究1100-1160°C及30-90分钟参数对显微组织、力学性能和耐腐蚀性的影响。结果表明1130°C/60分钟实现完全等温凝固，消除脆性ASZ区，接头剪切强度达525 MPa，腐蚀电流密度3.8×10⁻⁸ A·cm⁻²。高温或长时间导致晶粒粗化，扩散区扩大，机械性能和耐蚀性下降。

阿里·肖贾伊·塞法巴德（Ali Shojaei Seifabad）| 莫哈茂德·萨尔卡里·霍拉米（Mahmoud Sarkari Khorrami）

伊朗德黑兰，德黑兰大学阿尔博兹校区（Alborz Campus, University of Tehran, Tehran, Iran）

摘要

本研究采用瞬态液相（TLP）焊接技术，使用BNi-1（Ni–Cr–B–Si）填充金属来连接Inconel 625合金，重点探讨了扩散控制下的接头均匀化、基体金属晶粒生长、机械性能以及耐腐蚀性之间的相互作用。焊接过程在1100、1130和1160°C下进行，保持时间分别为30分钟、60分钟和90分钟。定量微观结构分析表明：当焊接温度从1100°C升至1130°C（保持时间30分钟）时，等温凝固区（ISZ）扩大了约275%，而非等温凝固区（ASZ）从51 μm减小到21 μm。在1130°C下保持60分钟时，ASZ完全消除，形成了与基体金属相当的均匀接头，其最大剪切强度为525 MPa。进一步升高焊接温度（1160°C）或延长保持时间（1130°C下保持90分钟）会导致基体金属中的晶粒粗化，扩散影响区扩大到93-98 μm，剪切强度分别降至471 MPa和410 MPa。在3.5 wt.% NaCl溶液中的电化学测试显示，优化后的接头具有较低的腐蚀电流密度（3.8×10^-8 A·cm^-2）和腐蚀电位（−330 mV），表明其具有良好的耐腐蚀性。尽管最高热输入条件下的腐蚀电流密度最低（1.65×10^-8 A·cm^-2），但由于晶粒生长，接头出现了明显的机械性能下降。这些结果表明，BNi-1合金存在一个最佳的TLP焊接窗口，在此窗口内可以实现完全的接头均匀化，同时不损害基体金属的微观结构稳定性，从而获得优异的强度和耐腐蚀性平衡。

引言

Ni-Cr-Mo超合金在高温下具有优异的耐腐蚀性和抗氧化性，并且具有较高的可焊性，其中Inconel 625是这一类的代表材料。Inconel 625是一种固溶强化超合金，含有Nb而非Co。这些元素成分使其在各种高腐蚀性环境中（包括氧化和高温碳化）具有出色的耐腐蚀性[1]。超合金在高温下的应用非常广泛，包括飞机部件、化工和石化设备（如高温气体和蒸汽输送管道的内壁等，这些管道通向涡轮机）。其他关键应用还包括船舶螺旋桨、发电厂齿轮系统、排气和烟气导管以及通往涡轮机的气体输送管道[2]。Inconel 625超合金可以通过多种方法进行连接，包括激光焊接[3]、[4]、[5]、气体钨极弧焊（GTAW）[6]、[7]、钎焊[8]、[9]、扩散焊接[10]和瞬态液相（TLP）焊接[11]、[12]、[13]、[14]。然而，其他方法（如激光钎焊[15]、低温钎焊[16]和活性钎焊[17]并未用于本研究。焊接超合金的主要问题是裂纹或微裂纹的形成。防止这些缺陷的产生是超合金焊接中最具挑战性的问题之一。许多超合金（如铸造713C合金）非常容易开裂，因此几乎不可能实现无裂纹的焊接[14]。为了解决这个问题，可以采用钎焊和TLP焊接等替代连接方法。TLP工艺是一种由接头界面处的热激活原子迁移控制的扩散钎焊类型[18]。这些替代工艺的优势在于没有焊缝和热影响区（HAZ），因为焊缝和HAZ会导致超合金中的应力集中并降低其机械性能。此外，焊缝与基体金属之间的化学成分不匹配也会进一步降低机械性能。如果不充分了解焊接过程中的相变以及工艺参数对这些相变的影响，就无法制造出具有最佳机械性能的接头。TLP焊接被归类为高温钎焊技术。由于整个组件均匀受热，因此该工艺几乎不受热应力的影响。在TLP过程中，填充层熔化，其低熔点元素扩散到基体金属中，随后发生等温凝固形成接头。这种扩散改变了接头界面的化学成分，提高了其熔点，并最终在焊接温度下重新凝固[19]。随着填充层的液化，高扩散性元素（如B和Si）由于其高扩散性而迁移到基体金属中。这种扩散会耗尽熔融填充层中的低熔点元素，尤其是在熔融填充层与固态基体金属的界面处。因此，界面处的熔点上升，超过工艺温度，从而在界面处引发凝固。随着进一步扩散，凝固前沿向前推进，直到整个填充层完全凝固[20]。Jalilvand等人[21]使用AMS 4777填充材料在1050°C下通过TLP工艺制备了类似的Inconel 738接头，发现延长保持时间可以减少接头中心线的连续共晶相（富镍硼化物、富铬硼化物和镍硅酸盐）。填充材料中的硼扩散在扩散影响区（DAZ）形成了富B的沉淀物。在1120°C下，延长焊接时间至45分钟即可实现等温凝固；而1160°C下延长焊接时间至300分钟则可以获得均匀的结构。他们还发现，B在Ni中的溶解速率极低，因此会被排斥到相邻的熔融区域，在凝固过程中发生共晶反应，形成固溶体和镍硼化物的二元共晶[22]。Ghasemi等人[22]研究了在1100°C下使用BNi-3填充材料对Hastelloy X超合金进行TLP焊接对微观结构的影响，观察了接头界面形成的相。他们的结果表明，在DAZ中形成了富Cr-Mo的硼化物沉淀物。关于使用BNi-2填充材料对Inconel 718和Inconel 625超合金进行TLP焊接的研究显示，Inconel 718在部分等温凝固后形成了三个不同的微观结构区域：一个富镍固溶体的等温凝固区、一个含有共晶相的热凝固区，以及一个含有分布的Cr-Mo-Ni基硼化物沉淀物的DAZ。强化机制涉及通过合金元素扩散形成固溶体。对于Inconel 625，将焊接温度从1325°C升至1394°C以实现完全等温凝固可以减小接头间隙尺寸和保持时间[23]。Idowu等人[24]报告称，使用Ni-Cr-B填充材料对Inconel 738LC超合金进行TLP焊接后，在1130°C、1145°C和1160°C下分别经过5小时、6小时和8小时可实现完全等温凝固。不完全的等温凝固会导致残留液体迁移到接头中心线，形成共晶结构。使用BNi-3填充材料对镍基超合金进行TLP焊接的研究表明，焊接温度显著影响非等温凝固区（ASZ）的微观结构。在较低温度下，ASZ的微观结构受硼扩散控制；而在较高温度下，则取决于基体合金元素（特别是Ti和Cr）向接头区的溶解和扩散[22]。Pouranvari等人[25]、[26]使用Ni-Cr-B-Si-Fe填充材料在1050°C下对Inconel 718超合金进行了TLP焊接，经过1小时实现了完全的TLP焊接。他们强调，在1000-1050°C的温度范围内，等温凝固对于获得无金属间化合物的接头至关重要。Doroudi等人[13]在用BNi-2填充材料对Inconel 625进行TLP焊接时观察到，延长焊接时间可以消除接头中心的共晶状结构，在1025°C下经过95分钟后实现了完全等温凝固。

在市售的Ni基TLP填充材料中，尽管BNi-1在工业上应用广泛，但其研究相对较少。这主要是因为BNi-1中同时含有硼和硅这两种熔点降低元素。虽然仅含硼（例如BNi-2）或仅含硅（例如BNi-3）的填充材料形成相对简单的扩散和相变路径，但BNi-1会促进复杂的硼化物、硅化物和硼硅化物的形成，这些相在热力学上稳定且难以通过常规方法消除[27]。如果焊接参数不经过仔细优化，这些相可能会残留在DAZ中并降低材料的机械性能和耐腐蚀性。因此，成功实现BNi-1接头的均匀化需要精确平衡扩散动力学和热暴露，这使得对该填充材料的系统优化具有特殊挑战性和科学意义。BNi-1中硼和硅作为熔点降低元素（MPD）的协同效应改变了扩散动力学、沉淀物形成和等温凝固行为，与仅含硼（BNi-2）或仅含硅（BNi-3）的系统相比有所不同。因此，本研究通过探讨钎焊温度和保持时间对TLP焊接Inconel 625接头微观结构演变、机械性能和耐腐蚀性的影响，填补了这一研究空白。

部分内容摘要

基体金属和填充金属

本研究的基体材料为Inconel 625超合金。样品呈矩形（厚度5 mm），尺寸为8 × 8 mm²。填充金属为BNi-1箔（AWS A5.8），厚度为100 μm，用作TLP填充层。基体金属和填充层的化学成分见表1。尽管在TLP焊接中通常使用较薄的填充层（通常为25–50 μm），但由于实际和几何原因，本次研究使用了较厚的箔片。