引言

核動力航空是未來航空領(lǐng)域的一項(xiàng)前沿先進(jìn)技術(shù)，擁有潛在的巨大優(yōu)勢并面臨巨大的挑戰(zhàn)。鋯合金作為核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料[1-2],具有優(yōu)異的耐腐蝕性能、力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性和低中子截面等特點(diǎn)[3-4]，被廣泛應(yīng)用于化工和核工業(yè)。鈦合金作為一種輕質(zhì)合金，因其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[5~7]。鋯和鈦都具有HCP結(jié)構(gòu)，并在微觀上表現(xiàn)出相似性。因此,鋯合金與鈦合金的結(jié)合可以在保持優(yōu)異性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。在過去的研究中,研究人員探索了不同的焊接方法和工藝，以實(shí)現(xiàn)鋯合金與鈦合金的有效連接。SUN等[8]成功地利用鈦?zhàn)鳛橹虚g層,實(shí)現(xiàn)了Zr-4合金的低溫?cái)U(kuò)散連接。在650℃時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到294MPa。LI等[9]對TA1和Zr-4合金表面進(jìn)行了納米技術(shù)處理,成功實(shí)現(xiàn)了鈦和鋯的擴(kuò)散焊接。研究結(jié)果表明,納米處理后的接頭缺陷減少,抗拉抗剪強(qiáng)度比原接頭提高112.9%。GAREEV等[10]對1mm厚的Zr-4合金和鈦合金OT4板材進(jìn)行了鎖孔式電子束焊接，得到了幾乎沒有缺陷的焊接接頭，接頭強(qiáng)度達(dá)到738MPa。雖然擴(kuò)散焊、電子束焊等焊接方法在性能上已經(jīng)滿足了工業(yè)需求，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，擴(kuò)散焊通常需要較長的焊接時(shí)間，導(dǎo)致效率較低;而電子束焊需要真空環(huán)境,對設(shè)備要求較高。電阻點(diǎn)焊(RSW)作為一種常用的金屬連接方法，在汽車、航空以及核燃料領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[11-15],具有操作簡單高效、成本低、焊接質(zhì)量高等特點(diǎn)。因此，本研究采用電阻點(diǎn)焊工藝開展R60702鋯合金與Ti6Al4V(TC4)鈦合金的焊接,并對焊接接頭的組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析評價(jià)。本研究填補(bǔ)了鋯合金和鈦合金電阻點(diǎn)焊工藝的空白，對核動力航空具有重要的潛在意義。

1、材料和方法

R60702合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.22 wt.% Hf、0.044 wt.% Fe、0.009 wt.% Cr和余量Zr,TC4合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.15 wt.% Al、3.96 wt.% V和余量Ti。本研究實(shí)驗(yàn)采用尺寸為100mmx25mmx 1mm的TC4合金作為基材，R60702合金厚度1mm。電極材料采用半徑為8mm的圓弧電極。整個(gè)焊接過程采用水冷卻。焊接前用砂紙對表面進(jìn)行打磨。R60702合金置于上電極，TC4合金置于下電極。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的焊接參數(shù)為:焊接電流分別為6kA、8kA、10kA、12kA,焊接壓力為2.4kN,焊接時(shí)間為80ms。采用光學(xué)顯微鏡(OM，Smartzoom5)觀察RSW接頭的形貌。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、Sigma 500和能譜儀(EDS)對其微觀結(jié)構(gòu)和元素分布進(jìn)行了分析。采用X射線衍射(XRD，D8Advanced)對熔核區(qū)(NZ)進(jìn)行物相分析;采用華銀HV-1000A維氏顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試;采用UTM6104試驗(yàn)機(jī)，以2mm/min的速率進(jìn)行拉伸-剪切試驗(yàn)。拉剪試件尺寸為100mmx25mm。

2、結(jié)果與討論

接頭宏觀形貌如圖1所示。

焊接接頭表現(xiàn)為非對稱熔核，可明顯觀察到兩側(cè)熔核寬度差異，即TC4合金側(cè)寬于R60702合金側(cè),主要是由于R60702合金與TC4合金在導(dǎo)熱率和電阻率方面的巨大差異。熔核的運(yùn)動方向是產(chǎn)生較高熱量和表現(xiàn)出較慢散熱的區(qū)域。隨著焊接電流的增大，熔核的尺寸逐漸增大。如圖2所示,隨著焊接電流從6kA增加到12kA，熔核的尺寸呈線性增長趨勢。

熔核的寬度從4.666mm線性增加到6.667 mm,而熔核的高度從1.449mm線性增加到1.625 mm。需要注意的是，當(dāng)焊接電流達(dá)到12kA時(shí)，焊接過程中會產(chǎn)生大量飛濺，如圖3所示，在10kA焊接電流下,接頭中產(chǎn)生了(Zr,Ti)固溶體。

此外，從圖4中可以觀察到，熔核中的元素分布均勻，表明獲得了良好的冶金結(jié)合效果。然而，當(dāng)熱輸入較小時(shí)，兩板之間的界面處存在間隙，無法實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。

圖5為R60702合金、TC4合金母材和RSW焊接接頭在不同電流作用下的顯微組織。

由圖5(a)和圖5(b)可知,R60702合金由致密排列的等軸HCP組織的a-等軸晶組成，晶粒直徑約為40μm;TC4合金由均勻分布的等軸暗相α和亮相β組成。由于最低溫度存在于熔池邊緣，低熔點(diǎn)溶質(zhì)優(yōu)先在這些區(qū)域非均質(zhì)成核。垂直于熔池邊緣的成核晶粒在外延生長的驅(qū)動下沿相反的冷卻方向長大為β粗柱狀晶粒。隨后，在更快的冷卻速度驅(qū)動下,發(fā)生固相轉(zhuǎn)變(β→a')。平行初生馬氏體在固相轉(zhuǎn)變初期迅速形核[16],并在晶界處停止生長。接著，次生馬氏體逐漸向垂直于初生馬氏體的方向形核生長，形成相互纏繞的組織形態(tài)。最終的組織尺寸和形貌受冷卻速率的控制。當(dāng)冷卻速率較大時(shí)，發(fā)生無擴(kuò)散相變，形成脆硬相a'馬氏體。隨著冷卻速率的降低，有形成籃狀魏氏組織和平行板狀魏氏組織的趨勢。熱輸入的變化既影響柱狀晶粒的寬度，也影響魏氏組織和  α ′ 馬氏體的尺寸。  α ′ 馬氏體的尺寸隨著熱輸入水平的增加而擴(kuò)大,由圖5(c)一圖5(f)給出最熱輸入增加，TC4側(cè)焊核馬氏形態(tài)的變化，當(dāng)焊接電流12kA時(shí)，馬氏體出現(xiàn)顯著的粗化。

接頭的力學(xué)性能和斷裂特征如圖6圖9所示。接頭顯微硬度分布如圖6所示。

TC4合金母材和 R60702合金母材的顯微硬度約為360  HV 500 g  和235  HV 500 g  ,而熔核的顯微硬度約為340  HV 500 g  。焊接過程中形成的顯微組織對焊接接頭的顯微硬度值有顯著影響。R60702合金基體由a-等軸晶粒中密集排列的等軸HCP組織組成,而熔核組織由魏氏組織和  α ′ 馬氏體組成,具有較高的硬度。圖7為峰值荷載數(shù)據(jù)，圖8描述了在拉剪應(yīng)力測試中觀察到的斷裂破壞模式,圖9為6kA~12kA焊接電流下R60702合金和TC4合金的斷口形貌。

隨著熱輸入的增加，平均峰值負(fù)荷逐漸上升。焊接電流為6kA時(shí)，平均峰值負(fù)荷為4.29kN,失效模式為界面失效模式[17]。此時(shí)斷裂面呈河流狀，屬于脆性斷裂。在焊接電流為8kA時(shí),平均峰值載荷為6.51kN,并伴有部分界面破壞模式。斷口表面出現(xiàn)大量韌窩，屬于塑性斷裂。在焊接電流為10kA和12kA時(shí)，平均峰值載荷分別達(dá)到7.75kN和6.29kN,失效模式過渡到拉拔失效。焊接電流為10kA時(shí)，斷口出現(xiàn)大量韌窩,為典型的塑性斷口;焊接電流為12kA時(shí)，斷口出現(xiàn)解理面，表現(xiàn)出脆性斷裂特征。值得注意的是，在12kA時(shí)剪切峰值負(fù)載顯示減少，這與焊接過程中發(fā)生的內(nèi)部飛濺缺陷有關(guān)，同時(shí)也和焊核內(nèi)馬氏體組織的粗化密切關(guān)聯(lián)。

3、結(jié)語

1)研究采用電阻點(diǎn)焊制備了R60702合金和TC4合金在不同參數(shù)下的成型接頭，接頭呈非對稱核塊，并產(chǎn)生(Zr，Ti)固溶體，熔合區(qū)由魏氏組織和  α ′ 馬氏體組成。

2)隨著焊接電流的增大，接頭的峰值拉剪載荷先增大后減小，當(dāng)焊接電流為10kA時(shí)，接頭力學(xué)性能最佳，拉伸剪切峰值荷載達(dá)到7.75kN。

3)大熱輸入下接頭具有良好的力學(xué)性能,斷口表面有大量的韌窩，顯示出典型的塑性斷裂行為。隨著焊接電流的增大，斷裂破壞模式由界面破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠纸缑嫫茐哪Ｊ?再轉(zhuǎn)變?yōu)槔銎茐哪Ｊ健?/p>

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（注，原文標(biāo)題：R60702鋯合金和Ti6Al4V鈦合金電阻點(diǎn)焊的微觀組織與力學(xué)性能研究_唐順安）