超導芯片航空航天用鉭棒鉭板等鉭合金的焊接技術(shù)研究進展

前言

鉭被譽為耐蝕性最好的金屬，除氫氟酸外不被其他酸侵蝕，且熔點高達2996 ℃，富有延展性，熱膨脹系數(shù)小，是典型的難熔金屬之一，在超導、芯片、航空航天、化工、原子能、醫(yī)療器械等尖端技術(shù)領域具有不可替代的作用。鉭及鉭合金的典型應用有：航空發(fā)動機或燃氣輪機中的葉片、燃燒室耐熱管道、耐熱器件等，對撞機中的超導零部件、腔體，石油化工領域的耐蝕容器、管道，原子能工業(yè)中的中子防護板、核島外殼、快中子反應堆控制材料，芯片行業(yè)的濺射靶材，醫(yī)學上的人工骨材料、各類支架等，是一種重要的戰(zhàn)略物資[1-2] 。

在尖端工程上，高可靠、免維護、長壽命零部件的需求與日俱增，用鉭及其合金替代部分材料已成歷史必然。工程應用中的鉭通常作為關(guān)鍵功能件發(fā)揮作用，而功能件尤其是復雜結(jié)構(gòu)功能件的生產(chǎn)往往需要經(jīng)過焊接加工。鉭的焊接面臨三個關(guān)鍵技術(shù)難點：一是鉭材熔點高，焊接難度大[3]；二是鉭棒、鉭板、鉭片等鉭材一般應用在強酸、超高溫等極端環(huán)境中，對焊縫質(zhì)量要求極高[4]；三是鉭在高溫狀態(tài)下極易與空氣中的氧、氮反應，形成鉭化合物脆化焊縫。因此，要得到可靠的鉭焊縫極其困難。

國外少數(shù)核工業(yè)、航天工業(yè)發(fā)達的國家已掌握了鉭的焊接技術(shù)，在焊接工藝、焊縫成形理論、焊接有限元模擬、焊縫組織/ 成分、腐蝕行為、工業(yè)化應用等方面取得了一定的成果 [1] 。相比較而言，國內(nèi)鉭的研究起步晚、研究機構(gòu)少，僅個別科研院所開展了鉭的焊接實驗，且缺乏系統(tǒng)的理論研究。

文中綜述了國內(nèi)外研究機構(gòu)在鉭的焊接方面的最新研究進展，為國內(nèi)特種焊接研究人員開展鉭及其他難熔金屬焊接提供參考。

1、鉭的焊接研究進展

美國、德國、法國、俄羅斯等工業(yè)、軍工業(yè)發(fā)達的國家均開展了鉭金屬焊接研究，尤其是美國對鉭金屬的研究起步早、深入、全面。目前，國際上鉭的焊接研究主要集中在焊接工藝研究、焊接有限元分析、焊縫腐蝕和成形機理研究等方面，通過系統(tǒng)的組織性能表征評價焊縫質(zhì)量，進而改進焊接工藝獲得高質(zhì)量焊縫，相關(guān)技術(shù)應用于航天、化工裝備等領域。我國在鉭焊接方面的研究集中在鉭功能件的制備生產(chǎn)方面。

1.1　焊接熱源及其焊接工藝研究

目前國際上主要的鉭焊接方法包括鎢極惰性氣體保護焊、激光焊、電子束焊、爆炸焊等，由于熱影響區(qū)組織調(diào)控的需求，高能量密度的激光焊、電子束焊成為目前主流的焊接方法；鎢極惰性氣體保護焊由于在高溫階段升溫速度慢、易形成粗大的熱影響區(qū)組織，作為第一代熱源已逐步被替代；爆炸焊則主要用于制備鉭復合板材。美國、德國等主要的鉭焊接研究國家對其焊接工藝開展了較為深入的研究。

美國國家宇航局早在 1973年就采用鎢極惰性氣體保護焊方法，在鉭材焊接領域取得了重大進展，在氦氣保護下焊接鉭板熔深達9.52mm，并開展了大量力學性能測試，形成了 93 頁技術(shù)文件[5] 。但遺憾的是，弧焊在高溫區(qū)時升溫速度慢、加熱時間長，極易造成焊縫晶粒粗大、內(nèi)應力較高等問題，因此利用該技術(shù)得到的焊縫難以避免地存在熱裂紋缺陷。

為緩解熱裂紋問題，美國科研人員在鉭的弧焊焊接工藝方面開展了一系列的研究，如電弧電磁振蕩和電流脈沖對鉭片焊縫組織影響規(guī)律的研究[6] 、表面硅化物涂層對焊縫性能影響規(guī)律的研究[7] 等，一定程度上改善了熱裂紋缺陷的發(fā)生。

顯然，弧焊并不是鉭的理想熱源，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，美國國家能源局勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（lawrence livermore national laboratory，LLNL）在1985 年首次將激光焊接應用于鉭的焊接[8] ，打開了激光焊接鉭及其合金的大門。在接下來的 30 年中，激光焊接成為鉭焊接的主流方法。美國相關(guān)研究機構(gòu)的激光焊接設備由固體激光器升級為光纖激光器[9] ，激光功率由最初的 400 W 提升至 6 kW [10] ，并在焊接工藝方面開展了大量研究[10-12] ，相關(guān)成果應用于航天器件、武器裝備的生產(chǎn)與修復[9] ，部分焊接效果如圖 1 所示。法國鉭焊接研究機構(gòu)也采用了激光焊接路線，應用于鉭- 鉭[13] 、鉭- 鈦 [14]等同種、異種金屬焊接，獲得了高質(zhì)量焊縫。

與美國、法國等以激光作為主流焊接熱源不同的是，德國采用電子束焊焊接鉭及其合金，其研究主要集中在鉭泰克（Tantec）、世泰科（H.C.Starck）等企業(yè)中，專注于鉭的換熱器、管道、容器等化工裝備的整體加工制造，研究內(nèi)容涵蓋焊接工藝、鉭焊縫腐蝕行為、耐蝕性等方面[15] ，其商用產(chǎn)品已經(jīng)占據(jù)市場主導地位；俄羅斯則采用爆炸焊的方法制備鉭復合材料，在 2016 年制備出銅- 鉭、銅- 鈦復合板，并研究了結(jié)合界面的形貌及爆炸焊工藝規(guī)律[16] 。

中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展為我國鉭鈮研究機構(gòu)、企業(yè)奠定了堅實的經(jīng)濟基礎，國內(nèi)焊接裝備水平達到行業(yè)先進水平[17] 。國內(nèi)鉭的焊接方法囊括了氬弧焊[18-22] 、電子束焊 [23-28] 、激光焊 [29-30] 、爆炸焊 [31]等，與國際主流焊接方法一致；但國內(nèi)鉭焊接研究的重點在攻克具體焊接焊接工藝、解決鉭功能件具體生產(chǎn)制備技術(shù)方面[18-19，23-24]；部分科研院所如哈爾濱工業(yè)大學、北京工業(yè)大學等的研究重點在焊縫的組織、性能表征等方面[25-27，30] 。

綜上所述，鉭焊接熱源的更新緊跟焊接裝備發(fā)展的腳步，歷經(jīng)鎢極惰性氣體保護焊、固體激光/光纖激光焊、電子束焊、爆炸焊、等離子弧焊等，向高能量密度、短焊接流程的趨勢發(fā)展；焊接工藝的研究圍繞所采用焊接方法所涉及的參數(shù)開展，基于焊縫力學性能、組織形貌、成分變化等對焊縫質(zhì)量進行評價，進而改進焊接工藝及其附加調(diào)控措施。

1.2　焊接數(shù)值模擬及焊縫材料計算

隨著計算機及軟件技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值分析、材料計算對于預測焊接工藝、焊縫成形機理、組織變化規(guī)律的作用逐步提高。1980年，美國相關(guān)研究機構(gòu)已經(jīng)將有限元模擬應用于預測氬弧焊焊接鉭板時的溫度，建立了焊接溫度場的二維模型，并通過焊接實驗進行了驗證[32-33] 。

隨后，焊接有限元模擬的作用被進一步發(fā)掘，被用于預測溫度場、應力場、熔池流場、焊縫形狀等，如法國大學科技學院激光和材料實驗室通過建立激光點焊焊接有限元模型并與實驗結(jié)果相結(jié)合，闡明了鉭焊接過程中縮孔的產(chǎn)生機理[13]；賓夕法尼亞大學通過建立鉭的激光焊接熔池模型，準確預測出激光焊接熔池形狀[34] ，并與實驗結(jié)果相印證，驗證情況如圖 2 所示。

更進一步的，材料計算被用于探索焊縫成形機理，如 2009年美國橡樹嶺國家實驗室基于Fact Sage熱力學數(shù)據(jù)庫分析鉭焊縫組織的熱力學穩(wěn)定性，進而闡明焊縫凝固過程中的有利相，其計算結(jié)果被透射電鏡分析結(jié)果所驗證[35] 。

我國在鉭的焊接有限元模擬、材料計算方面的研究較為薄弱，公開資料表明，僅有個別研究人員采用ANSYS 軟件對鉭鎢合金等離子弧焊的溫度場進行了數(shù)值分析[36] 。

綜上所述，焊接有限元模擬對于焊接過程中所涉及到的各種場及多場耦合作用機制具有較好的預測作用，能夠準確反映焊接變量變化趨勢、指導焊接工藝的改進；而材料計算主要用于研究焊縫組織演變規(guī)律、焊縫成形機理。

1.3　焊縫破壞機制研究

鉭焊縫一般服役于強酸、高溫等嚴苛環(huán)境，焊縫極易發(fā)生破壞，開展焊縫破壞機制研究對于改善焊縫質(zhì)量具有重要的指導意義。

目前國內(nèi)外鉭焊縫破壞機制研究主要集中在腐蝕行為研究、裂紋擴展機制研究等方面。如美國金屬學會 2007 年出版的《Corrosion of weldments》[37] ，將鉭焊縫腐蝕行為單列一節(jié)進行介紹，彌補了美國鉭焊縫腐蝕行為研究匱乏的情況；2013 年，美國美敦力能源與部件中心對鉭- 鈦合金焊縫裂紋產(chǎn)生機理開展研究，闡明鉭- 鈦焊縫裂紋是由氫應力裂紋機制產(chǎn)生的[38]；德國世泰科采用酸、堿等多種環(huán)境對純鉭、Ta-2.5%W 合金等的焊縫開展了腐蝕實驗研究[39]等；而鉭焊縫在高溫狀態(tài)下的破壞機制尚無公開的文獻。

2、存在的問題

通過文獻調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，美國對鉭的焊接研究比較全面、自成體系，焊裝裝備歷經(jīng)鎢極惰性氣體保護焊、固體激光焊、光纖激光焊等，研究內(nèi)容涵蓋焊接工藝研究，焊縫組織/性能表征、腐蝕行為、焊接有限元模擬、焊縫成形機制、缺陷形成機理研究等，其相關(guān)研究成果應用于航空航天、原子能、醫(yī)療器械等工程領域。

與美國相比，雖然中國鉭鈮骨干企業(yè)經(jīng)過20年的飛速發(fā)展，但在鉭鈮焊接研究領域，其研究主體為國有鉭鈮生產(chǎn)企業(yè)及其配套的研發(fā)體系，偏向應用研究的定位決定了其研究主要面向于解決具體的生產(chǎn)技術(shù)難題，也因此凸顯基礎研究薄弱、研究深度不足等問題。尤其是焊縫成形機理研究、焊縫組織調(diào)控方法、有限元分析等方面幾乎處于空白階段，尚需大量深入的理論研究突破技術(shù)壁壘。我國鉭鈮焊接領域現(xiàn)階段存在的主要問題為：

（1）焊縫破壞機制研究極度匱乏，導致難以確定研究重點。對鉭焊縫服役環(huán)境及其相對應的破壞機制缺乏系統(tǒng)的研究，如高溫、高腐蝕、核輻射環(huán)境下的高溫組織演變機制、腐蝕行為、輻照效應等，這些研究內(nèi)容直接決定著鉭零部件服役壽命。

（2）焊縫成形機理研究較為匱乏，如氣氛保護狀態(tài)下熔池- 氣氛界面反應機制、焊縫組織調(diào)控機制、真空狀態(tài)下焊縫成形機理及其組織演變規(guī)律等，制約了鉭鈮企業(yè)進入高附加值的電子、加工材、高端裝備制造領域。

（3）鉭及其合金的基礎研究較為薄弱，造成對鉭的應用領域、應用場景認識不清晰，從而難以把握鉭焊接的研究方向、研究難點、研究重點，這也進一步限制了鉭在工業(yè)中的應用范圍。

雖然在基礎研究方面，我國與部分發(fā)達國家的差距較為明顯，但值得肯定的是，目前國內(nèi)鉭的焊接裝備水平已達到國際先進水平，焊接方法與國外主流的焊接方法一致。

3、發(fā)展趨勢

與國內(nèi)情況截然不同的是，部分發(fā)達國家如美國、德國等，將鉭及其合金用于航空、航天、武器裝備、核電、發(fā)動機、化工裝備等具體場景，并根據(jù)服役環(huán)境開展一系列系統(tǒng)的研究，涵蓋焊接工藝、焊縫組織成分、力學性能、有限元模擬、腐蝕行為等；焊接裝備歷經(jīng)氬/ 氦弧焊、爆炸焊、電子束焊、激光焊等，連續(xù)性、傳承性較強。經(jīng)過文獻調(diào)研國外發(fā)展歷程表明，目前鉭焊接的主要發(fā)展趨勢為：

（1）基于數(shù)值分析的鉭焊縫組織調(diào)控方法、焊接工藝研究和焊縫成形機理研究。建立準確的分析模型仿真高難度的焊接實驗，進而指導焊縫組織的調(diào)控及焊接工藝的調(diào)整；通過材料計算分析焊縫組織演變規(guī)律進而闡明焊縫成形機理。

（2）焊縫組織與性能表征之間的內(nèi)在聯(lián)系研究。鉭焊縫晶粒的微觀組織與焊縫電化學性能、力學性能密切相關(guān)，獲得高可靠性焊縫的關(guān)鍵在于有效的焊縫組織調(diào)控。

（3）鉭焊縫的破壞機制研究。目前，國內(nèi)外在鉭焊縫損壞機制方面的研究均較為薄弱，而鉭服役于高溫、強腐蝕環(huán)境下，鉭焊縫的損壞機制研究能夠有效指導焊接工藝改進和組織調(diào)控，是鉭焊接研究的主要方向之一。

（4）焊接裝備趨勢：焊接熱源向能量密度更高的裝備發(fā)展，激光焊、電子束焊成為目前鉭的理想焊接熱源。

4、結(jié)論

綜上所述，鉭及其合金在航空、航天、武器裝備、原子能、化工裝備等領域具有重要的應用價值，但鉭的焊接限制了復雜結(jié)構(gòu)零部件的加工制造，如何獲得高質(zhì)量、高可靠的鉭焊縫是該領域亟需解決的技術(shù)瓶頸。

國內(nèi)外研究人員在鉭的焊接領域開展了大量研究，采用鎢極惰性氣體保護焊、爆炸焊、電子束焊、激光焊等方法實現(xiàn)鉭材連接，研究內(nèi)容涵蓋了焊接工藝、焊縫組織/ 成分、力學性能、有限元模擬、腐蝕行為等方面。近 50 年的研究歷程表明，高能量密度的焊接熱源如電子束焊、激光焊更適合焊接鉭及其合金；另外，借助數(shù)值模擬、材料計算方法能夠有 效指導焊縫組織的調(diào)控及焊接工藝的調(diào)整。隨著研究的深入，下一步鉭焊接研究的主要方向和有效途徑是圍繞具體服役環(huán)境分析焊縫的破壞機制，進而研究相應的組織調(diào)控機理，獲得高質(zhì)量焊縫。

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