Mo 42Re合金焊接工藝研究

陳福鴿，張瑩瑩，董 帝，付立偉，李昕東

(1．安泰科技股份有限公司，北京100081)(2．安泰天龍鎢鉬科技有限公司，天津 301800)

0 引 言

鉬錸合金可以顯著降低純鉬的韌脆轉變溫度、提高再結晶溫度、室溫延展性和高溫強度。在高溫條件下，與UO2、UN、堿金屬具有較好的相容性[1]。同時因其具有優異的譜移吸收性能，可有效降低反應堆臨界事故風險[2]，因此鉬錸合金在空間堆等核能領域具有非常廣闊的應用前景。鉬錸合金有多種制備方法，包括粉末冶金、電弧熔煉和電子束熔煉，其中粉末冶金產品的生產成本遠比電弧熔煉或電子束熔煉產品低，且已形成了較成熟的鉬錸合金工業生產體系，可以實現批量生產[3-4]。同時空間堆、快堆等先進核反應堆零部件對材料的焊接性能有較高的要求，因此需要深入開展粉冶態鉬錸合金的焊接工藝研究。

鉬錸合金屬于難熔金屬，其常用焊接方法包括鎢極氬弧焊、真空電子束焊接、激光焊、電阻焊、真空釬焊等方法[5-12]。鎢極氬弧焊是最為常規的焊接方法，具有焊接方式靈活、效率高、設備制約小等優點，但焊接過程易氧化導致接頭脆化，性能較差；真空電子束焊接因其能量密度高、熱影響區小、真空保護條件下避免了C、N、O等對熔池的影響，廣泛應用于鉬錸合金材料的焊接，但真空電子束焊接對場地和設備有較高的要求，在實際工程應用中存在一定的局限性。

本文主要針對粉末冶金方法制備的Mo42Re合金，通過鎢極氬弧焊接和真空電子束焊接兩種焊接方法試驗，對比兩種焊縫組織結構的差異性，研究焊接接頭組織變化規律及接頭力學性能，揭示了兩種焊接方式的差異性，為鉬錸合金的工程化應用提供研究基礎。

1 試驗方法

1.1 鉬錸合金制備

采用粉末冶金法制備Mo42Re合金，原料選用鉬粉和高純錸酸銨。鉬粉平均粒徑16 μm，純度99.96%；高純錸酸銨平均粒徑75 μm，純度99.99%。

將鉬粉與高純錸酸銨機械混合后，氫氣還原成鉬錸合金粉末；粉末通過冷等靜壓壓制成型，壓力為200 MPa。壓坯置于中頻感應爐燒結，燒坯密度為12.27 g/cm3，燒結后的坯料經鍛造變形得到直徑30 mm的棒材。該方法制備的鉬錸合金純度較高，材料密度13.01 g/cm3，致密度達到了99.9%，其主要化學成分見表1。棒料經機加工的方式加工成外徑26 mm、壁厚3 mm、長度50 mm的焊接試樣。

表1 Mo42Re合金的化學成份 %(質量分數)

1.2 焊接工藝及檢測

典型的鎢極氬弧焊焊接條件如下：脈沖電流，峰值電流210 A，基值電流70 A，焊接速度1.5 mm/s，焊接過程采用氬氣保護，焊接方向與鍛造變形方向垂直。典型的真空電子束焊接條件如下：加速電壓60 KV，真空度<2×10-3Pa，焊接束流24 mA，焊接速度20 mm/s，焊接方向與鍛造變形方向垂直。

焊后采用線切割機對焊縫進行切割并制備試樣，經打磨、拋光、腐蝕后用于組織分析。借助光學顯微鏡(OLYMPUS GX51)、掃描電鏡(Nova Nono Sem 450)等分析測試手段對焊縫組織進行檢測，使用電子拉力試驗機(SANS CMT5205)對接頭室溫/高溫拉伸強度進行測試。

2 試驗結果及討論

2.1 焊縫宏觀表面

圖1為兩種焊縫接頭的宏觀狀態，鎢極氬弧焊形成的焊縫寬度約5 mm，真空電子束焊接形成的焊縫寬度約2 mm，兩種焊接方式都可以對Mo42Re合金形成有效焊接，焊縫外觀成型較好。采用氦質譜儀(ZQJ—3200)檢測焊縫漏率，兩道焊縫都達到了10-11Pa·m3/s級別(見表2)。

表2 氦質譜真空漏率檢測結果

圖1 焊縫表面

鎢極氬弧焊焊縫寬度較大，呈現明顯的魚鱗紋狀焊縫，表面無氣孔、咬邊、裂紋、氧化等缺陷，表明焊接時當氬氣保護得當時，可以避免空氣對焊縫熔池的氧化。同時真空電子束焊接焊縫寬度遠小于氬弧焊焊縫，說明電子束焊接對母材的影響更小、能量更集中。

2.2 微觀組織

圖2為Mo42Re合金的氬弧焊內部金相組織，可以明顯地區別母材、焊接熱影響區、熔池區，焊接深度1.2 mm。母材具有典型鍛造變形特征，由纖維狀流線組織構成；熱影響區晶粒受焊接過程熱量作用，已基本消除了原有的線狀組織形成的織構，經回復和再結晶過程形成較為細小的等軸晶。在熔池與熱影響區相交處出現較大的圓形氣孔，最大氣孔尺寸達到了200 μm左右，主要是因為在焊接過程中熔池會卷入焊接保護氣，同時冷態保護氣會使得熔池外表面快速冷卻，致使氣孔殘留在熔池內部。焊縫區晶粒呈現粗大柱狀晶，其生長方向垂直熔合線方向，但焊縫區組織致密、無裂紋。

圖2 Mo42Re合金氬弧焊接頭橫截面金相組織

Mo42Re合金的真空電子束焊接金相組織呈現典型的上寬下窄的釘尖形焊縫，如圖3所示。與氬弧焊相比，真空電子束焊接已經實現了鉬錸管材的全焊透，同時焊縫的熱影響區小，這主要是因為電子束焊接束斑能量更集中，穿透性更強；同時真空條件下的焊接也避免了熔池內部較大氣孔的產生。從圖4顯示的焊縫熔池與熱影響區交界處微觀組織可以看出：晶粒在熔化邊界處有非常明顯的外延生長；兩種焊接方式的晶粒生長方向不相同，氬弧焊晶粒呈現匯流式向焊縫表面生長，而電子束焊晶粒則呈對向式從兩側母材向焊縫中心線生長。

圖3 Mo42Re真空電子束焊接頭橫截面金相組織

圖4 焊縫熔池與熱影響區交界處微觀組織

2.3 力學性能

鎢極氬弧焊焊接方式無法焊透3 mm鉬錸合金管材，有效熔深只有1.2 mm，因此無法完全準確地對比兩種焊接接頭的抗拉強度，但為了驗證鉬錸合金兩種焊接方式在實際工程應用的可行性，對焊接接頭都進行了室溫以及1 200 ℃高溫拉伸強度檢測，測試中所用的橫截面積均為母材試樣尺寸面積，檢測數據取平均值，結果見表3。兩種焊接接頭都斷在焊縫處(見圖5)，氬弧焊接頭的斷后伸長率較低，而真空電子束焊接接頭仍保持一定的斷后伸長率，說明該接頭仍具有一定的塑性，從圖5也可以看出真空電子束焊接接頭斷口有明顯的拉伸頸縮。真空電子束焊接接頭室溫強度只有母材的65.4%，而高溫強度達到了母材的77.7%。

圖5 接頭拉伸試樣

表3 母材和兩種焊接接頭室溫及高溫力學性能

為更進一步了解接頭拉伸斷裂機制，使用掃描電鏡觀察兩種焊接方式室溫斷裂接頭的組織形貌，如圖6所示。從室溫拉伸斷后試樣斷口中可以看出，兩種焊接方式的斷口形貌差異較大。鎢極氬弧焊接頭斷口分離面平滑、干凈、無微觀塑性變形特征，為明顯的沿晶脆性斷裂，這主要是因為焊縫內部存在粗大晶導致；真空電子束焊接斷口存在明顯的韌窩花樣，屬于微孔聚集型斷裂，表明該接頭具有較好的塑性。

圖6 室溫拉伸斷口形貌

3 結 論

(1)氬弧焊焊接可以實現Mo42Re合金的有效焊接，但熔池區域晶粒粗大，韌性較差，無法焊透3 mm厚壁材料，有效熔深只有1.2 mm，同時焊縫內部存在較大的球形氣孔。氬弧焊焊接Mo42Re合金獲得的接頭室溫和1 200 ℃高溫抗拉強度分別為440 MPa、150 MPa，分別達到了母材強度的40%、41.7%，接頭室溫斷裂形式為沿晶脆性斷裂。

(2)真空電子束焊接可以焊透3 mm厚鉬錸合金管材，熔池區域晶粒較細、焊縫內部無氣孔缺陷并具有較好的強韌性。真空電子束焊接Mo42Re合金獲得的接頭室溫和1 200 ℃高溫抗拉強度分別為720 MPa、280 MPa，分別達到了母材強度的65.4%、77.7%，接頭室溫斷裂形式為微孔聚集型斷裂。

(3)從焊縫接頭顯微組織結構、熔池深度、力學性能等多個方面進行對比，真空電子束焊接相比于氬弧焊焊接更有利于Mo42Re合金的焊接。