电子束偏移对Ta与GH4169合金电子束焊接接头微观结构及力学性能的影响

作者：朱立国|陈国清|尹倩星|卢尚伟|滕新燕|甘展华|赵俊宏|冷学松

中国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

摘要

本研究探讨了不同束流偏移距离对Ta/GH4169焊接接头微观组织和力学性能的影响。结果表明，所有接头均在Ta侧的熔合线处发生断裂。随着偏移距离的增加，接头的强度先增加后减小。当束流偏移距离为0.5mm时，接头的强度最高，在室温下达到348 MPa，在400°C时达到298 MPa，分别比无束流偏移的接头高出268%和481%。微观结构分析表明，焊缝主要由FCC相、FCC + Laves共晶相和BCC颗粒组成。其中，FCC相在Laves相之间形成了稳定的相干界面。此外，高密度的纳米级相干L1₂沉淀物均匀分布在FCC基体中。这些沉淀物增强了FCC基体的强度，并参与了局部位错介导的变形，这一点通过位错通道和变形微带的形成得到了证实。然而，这种有益效果主要局限于焊缝金属的微观尺度。接头的整体拉伸性能仍主要受Ta侧脆性反应层附近早期断裂的影响。这些结果为Ta与Ni-Fe基材料的高质量连接以及高强度共晶高熵合金的开发提供了重要参考。

引言

随着航空航天技术的不断进步，特别是在高温、高压和辐射环境中的应用需求不断增加，对材料的性能要求也随之提高[1]。航空航天工业不仅要求材料具有优异的高温性能、抗氧化性和耐腐蚀性，还要求材料能够在恶劣条件下长期稳定运行[2]、[3]。钽合金和GH4169合金分别代表了难熔金属和高温镍基合金的典型应用。它们具有极高的熔点、强度、辐射抵抗性和高温稳定性，适用于航空航天发动机、喷气推进系统和核反应堆等环境，这些环境中普遍存在高温、强辐射和严重腐蚀[4]、[5]、[6]。由于这两种材料在结构和性能上的显著差异，焊接这些不同金属（特别是钽合金与高温合金的连接）在提高航空航天和能源领域关键组件的性能方面起着关键作用，例如热防护系统、燃气轮机和高温核反应堆[7]。

尽管这两种金属单独都具有良好的可焊性，但它们在物理性质和冶金特性上的显著差异给Ta与GH4169之间的连接带来了巨大挑战[8]、[9]。对于冶金兼容性差异较大的不同金属焊接，常用的方法是采用电子束偏移焊接技术来控制两种基材的熔化比例[8]、[10]。张等人尝试使用电子束焊接Nb/GH3128，当电子束向GH3128侧偏移0.8 mm时，获得了无缺陷的焊接接头，其最大抗拉强度为163 MPa[11]。尹等人通过将电子束向Kovar侧偏移，减少了焊缝中的脆性相含量，优化了焊缝微观结构，实现了Mo/Kovar合金的可靠焊接[12]。与使用中间层的复杂连接工艺相比，束流偏移技术代表了一种更简单、更直接的控制方法。这种方法不需要引入额外的过渡材料，从而避免了中间层成分设计、厚度控制以及中间层与基材之间的界面冶金反应等一系列复杂性，实施起来更加直接[13]。同时，束流偏移可以调节两种不同材料之间的热输入分布，直接影响熔化行为和元素混合[14]。因此，它能够有效控制焊缝微观结构和接头性能，显示出良好的工艺适应性和显著的工程应用潜力。

在Ta与Ni-Fe基合金的焊接过程中，焊缝中可能会形成类似CoCrFeNiTa共晶高熵合金的层状共晶结构[15]、[16]、[17]。通过增强强化相的沉淀，可以提高Ta/GH4169接头的力学性能，从而提高其在高温环境中的可靠性和长期稳定性。因此，研究焊缝中各相的晶体结构、界面行为和变形兼容性对于理解接头性能至关重要[18]、[19]。

本研究通过电子束焊接制备了Ta/GH4169异种材料接头。利用多种表征技术系统研究了束流偏移焊接对焊缝微观结构的影响，并进行了多尺度相分析，以确定焊缝中各相的晶体结构和界面关系。此外，从位错和相相互作用的角度解释了焊缝微观结构的变形能力。力学性能测试揭示了微观结构演变与力学性能之间的相关性。值得注意的是，尽管焊缝中形成的两种共晶相的晶格参数存在显著差异，它们仍然形成了稳定的相干界面。这些发现为Ta/GH4169合金的可靠连接以及高性能CrFeNiTa中/高熵合金的开发提供了宝贵的见解，为未来的研究奠定了基础。

章节摘录

材料

本实验使用的基材（BM）为厚度为2mm的GH4169合金和纯Ta合金，加工成20×40mm的尺寸。测得的GH4169合金的抗拉强度为911 MPa，Ta合金的抗拉强度为610 MPa。GH4169和Ta合金的化学成分见表1，其中GH4169的成分由供应商提供，Ta的成分通过电子探针分析测定。基材的相和微观结构如图1d、e所示。GH4169主要是

宏观形貌

不同束流偏移距离下接头的表面形貌如图1g所示。焊缝具有良好的宏观形貌，无裂纹或缺陷。然而，当束流偏移距离过大时（偏移+0.6mm），接头中出现了未熔化的缺陷。鉴于不同束流偏移距离下微观结构的相似性，选择了偏移量为-0.3mm、0mm、+0.3mm和+0.5mm的接头进行进一步分析。

相和晶体结构

根据先前的研究，焊缝中的相包括FCC相和Laves相。为了进一步研究焊缝的性能并有助于开发高性能共晶高熵合金，分析焊缝中各相的特性至关重要。如图18a所示，焊缝的BF图像显示了FCC基体中位错和条状Laves相的分布，Laves相的直径约为267 nm。

结论

本研究系统研究了电子束焊接中束流偏移过程对Ta/GH4169接头微观结构和力学性能的影响。主要结论如下：

• 1.
  焊缝中的主要相为FCC基体相和FCC+Laves共晶相。当电子束从GH4169侧偏移到Ta侧时，焊缝中的共晶结构逐渐增加，Ta侧的熔合线处开始出现未熔化的Ta和反应层。

作者贡献声明

尹倩星：可视化、监督。陈国清：撰写——初稿、资金获取、概念构思。滕新燕：可视化、方法论、研究。卢尚伟：方法论。赵俊宏：可视化、概念构思。甘展华：监督、资金获取。朱立国：撰写——初稿、方法论、研究、概念构思

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52375322）的支持