Nb521 高温合金光纤激光焊及接头组织性能研究

发布时间:

2025-01-08

铌钨合金Nb521(Nb-5W-2Mo-1Zr)是我国自主研发的一种高温合金，其熔点高、高温(1650℃)强度好，和钨、钼及钽合金等难熔金属相比，具有密度小、常温塑性好的优势，能加工为各种复杂形状零件[1-2]。因此，Nb521一直被认为是航天飞行器、超音速飞机、导弹等优选的高温结构材料，在航空航天、核工业等领域受到广泛关注。该类合金应用于双元液体火箭发动机推力室制造，在硅化钼涂层保护下大幅提高了发动机推重比和工作温度，推力室工作温度高达约1550℃[3]。随着我国航空航天技术的迅速发展，Nb521铌钨合金的潜在应用领域更加广阔，其在各类高速飞行器高温部件中的应用逐渐受到关注[4]。为进一步拓展Nb521材料在航空航天领域的应用范围，为结构设计提供更大的发挥空间，研究Nb521合金焊接工艺和接头质量非常必要。
Nb521合金材料自身焊接性较好，但存在抗氧化性能差的问题。温度超过400℃时Nb521氧化加快，在氧化过程中形成易破碎脱落的Nb2O5,成为制约其在高温应用的主要因素，也给Nb521焊接带来问题[5]。因此，Nb521高温构件表面通常需制备保护涂层[6],Nb521的焊接方法也主要集中在电子束焊接方面[7-12]。2021年，朱冬妹等[7]开展了Nb521合金的电子束焊接工艺优化研究，分析了其接头形貌、显微组织、常温和高温力学性能，优化后Nb521铌钨合金电子束焊接头的室温拉伸强度和延伸率分别能达到母材的95%和86.7%。测试结果表明，随着温度升高，接头强度下降、延伸率增大。在1600℃时接头抗拉强度约110MPa,延伸率达到约36%,拉伸断口为韧性断裂。值得注意的是，当温度进一步升高到1800℃时，焊缝金属延伸率迅速下降到约12%,1800℃下焊缝拉伸断口为脆性断裂。朱铭德等[8]采用电子束焊接方法焊接Nb521合金连接环与喷嘴体之间焊缝，振动试验中焊缝发生开裂，分析认为该裂纹是由低熔共晶杂质引起的，而焊前清理对Nb521电子束焊接头质量非常重要。针对加速器纯铌超导腔对焊接表面形态和性能要求严苛的难题，房玉超等[9]采用试验和CFD数值计算方法，对电子束扫描横焊薄铌板熔池动力学行为进行了深入研究。
Nb521和其他材料之间的异质焊接技术，可以丰富结构设计的形式，也是近年来一个备受关注的问题。比如，白润等[10]采用真空电子束焊方法研究了Nb-Ti-Al基低密度铌合金(LDNb)自身焊与高强铌合金、高温钛合金等合金的焊接性，发现采用束流偏向高熔点材料一侧的方式可以得到成形良好的焊接接头，所获LDNb接头、LDNb/Nb521接头和LDNb/TC4接头的室温抗拉强度都达到了母材强度90%以上，且接头延伸率与母材相仿。王峰等[11]研究发现，低密度铌合金与Nb521合金的电子束焊异质接头室温抗拉强度与母材强度相近，经1000℃/1h及850℃/1h的焊后热处理后接头抗拉强度均下降。张志伟等[12]进行了Ti3A1基合金与Nb521铌合金的真空电子束焊接，发现焊缝存在较明显的成分不均匀现象，但接头室温力学性能优良，室温拉伸时断裂于Nb521母材侧，延伸率约13.8%。上述这些研究进展对于扩大Nb521应用范围、拓宽高温结构设计创新的空间具有重要意义。
光纤激光深熔焊接技术基于和电子束焊接过程相似的“匙孔效应”，也可以形成大深宽比的焊缝，具有比能量小、热影响区小、变形小、效率高的优点。张黎旭等[13]整理了国内外超高强钢中厚壁结构全位置激光焊接、单道全穿透焊接、功率调制激光焊接和激光焊熔池动力学仿真模拟等关键技术的研究进展，系统地展示了这些新进展在超高强钢固体火箭发动机壳体激光焊接质量控制方面的潜在应用价值。刘孟晗等[14]研究了TC4钛合金与50钢异种材料激光焊接，分析了接头的裂纹扩展与焊缝的微观组织以及物相成分，认为裂纹类型及位置与工艺参数有关，并得出裂纹萌生与扩展的主要原因是高碳马氏体与TiFe、TiFe2金属间化合物的高硬度以及相差的韧性与塑性。王英杰等[15]曾研究了两种不同厚度组合的铌铪合金搭接接头的激光点焊，分析了焊接功率、焊缝熔深与焊缝抗剪切破坏能力之间的关系，确定出了合理的激光点焊工艺规范。但是，目前涉及Nb521合金激光深熔焊接方面的研究很少，主要原因有两方面：一是激光深熔焊可焊透的最大板厚很长时间内受到商业化激光器最大功率水平的限制，明显不如电子束焊；二是Nb521本身容易氧化，电子束焊接在真空室内进行，可以有效避免这一问题。
近年来，大功率光纤激光器技术日益成熟。考虑到和电子束焊接相比，光纤激光深熔焊具有不受真空室限制、不需要抽真空工序、无X射线问题、工件无须去磁处理等诸多优点，有必要开展Nb521合金的光纤激光深熔焊的焊接性，为将灵活高效的激光焊接技术应用于Nb521结构设计及制造奠定基础，为Nb521的焊接提供了一种新的解决途径。为此，本文研究了6kW光纤激光器对4.6mm厚Nb521的焊接特性以及不同焊接工艺参数对焊接接头成形的影响，获得了优化的焊接工艺参数，组织和性能分析表明，在局部氩气保护下，采用光纤激光深熔焊可以实现了Nb521的优质连接。

1 试验材料及方法
选用4.6mm厚的Nb521板材作为试验材料，其抗拉强度为487MPa,延伸率为36%,化学成分如表1所示。

采用德国IPG公司的YSL-6000光纤激光器进行焊接试验，最大输出功率为6kW,聚焦距离为195mm,纤芯尺寸为300μm,最小光斑直径为200μm,波长为1070nm。为保证焊缝质量，采用酸洗和机械打磨的方法对零件进行焊前处理，消除待焊处的油污及其表面氧化物，并用无水乙醇将表面擦拭干净。采用同一板材单道激光自熔焊形式，由于Nb521在高温下氧化严重，故以质量分数为99.999%的氩气作为保护气体，保持激光功率为6kW不变，通过优化焊接速度和离焦量等参数，在保证焊缝熔透的情况下，减少热输入，从而控制焊缝的深宽比，避免焊缝组织粗大，减小焊接应力并消除气孔和裂纹的倾向。其主要的焊接工艺参数如表2、表3所示。

焊后将试样沿着横截面切开，分别用400、600、800、1000、1200、1500、2000目的水砂纸进行打磨，用金刚石抛光膏在抛光机上进行抛光，抛光后采用体积比V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶1∶1的化学试剂进行化学腐蚀（其中氢氟酸质量分数大于等于40%、硝酸质量分数为65%~68%),利用Nikon Eclipse MA200光学显微镜观察焊缝的宏观形貌和显微组织。采用XHVT-1000Z智能化显微硬度计测量接头显微硬度。在CSS-88100拉伸机上进行拉伸试验，拉伸试样的尺寸如图1所示，拉伸载荷加载速度为2mm·min-1,取3个试样的测试结果平均值。采用SU3500扫描电镜进行组织观察和断口形貌分析。

图 1 拉伸试样示意图

2 试验结果及讨论
2.1 焊缝表面成形及横截面形貌
当激光功率保持在6kW,离焦量为0mm,氩气流量为35L/min时，不同焊接速度下焊缝表面成形及焊缝横截面形貌如图2所示。从图2可以看出，当焊接速度为2535mm/s时，焊缝均完全熔透，焊缝内部均未发现气孔、裂纹等缺陷；随焊接速度增大，熔池的稳定性受到影响，焊缝连续性逐渐变差，当焊接速度达到55mm/s时，焊缝背面出现不连续的驼峰；焊接速度变大，可以部分改善塌陷，减轻咬边缺陷。焊接速度对熔宽的影响如图4(a)所示。从图4(a)中可以看出，焊缝熔宽随焊接速度的增大而减小。

图 2 不同焊接速度的焊缝表面及横截面形貌（激光功率 6 000 W , 离焦量 0)
(a) 焊接速度 25 mm/s;(b) 焊接速度 35 mm/s;(c) 焊接速度 45 mm/s;(d) 焊接速度 55 mm/s

当激光功率为20kW,焊接速度为45mm/s,氩气流量为35L/min时，不同离焦量对焊缝表面成形和横截面形貌的影响如图3所示。从图3可以看出，当离焦量从0到+2mm变化时，焊缝不均匀、不连续且存在驼峰，飞溅逐渐变得严重，正面焊缝存在严重的塌陷并伴随着咬边现象，这可能是由金属蒸气的反冲压力作用以及熔池金属的表面张力和重力所导致的。当离焦量达到+2mm时，由于工件表面激光单位面积能量密度下降，焊缝未焊透；当离焦量从0到-4mm变化时，焊缝由连续逐渐变得不连续，离焦量为-2mm时出现了不连续的驼峰，最后在离焦量为-4mm时没有焊透。下表面咬边有所改善，上表面变化不明显。由图3可看出，离焦量为-1mm时，焊缝成形连续，表面比较光滑，几乎没有咬边和塌陷，成形较好。离焦量对熔宽的影响如图4所示。从图4(b)可以看出，随离焦量从-4mm到2mm之间变化，上熔宽先减小后增大，其中在离焦量为-1mm处最小；中熔宽随离焦量变化不明显，但可以看出在离焦量为-1mm处熔宽最小；由于存在未焊透情况，下熔宽随离焦量变化规律不确定，图中默认未焊透情况，熔宽为0。

图 3 不同离焦量的焊缝表面及横截面形貌（激光功率 6 000 W , 焊接速度 45 mm/s)
(a) 离焦量 -4 mm;(b) 离焦量 -2 mm;(c) 离焦量 -1 mm;(d) 离焦量 0mm;(e) 离焦量+1 mm;(f) 离焦量+2 mm

图 4 工艺参数对焊缝熔宽的影响 (a) 焊接速度；(b) 离焦量

2.2 显微组织分析
由以上分析可知，优化的工艺参数如下：激光功率为6kW,焊接速度为45mm/s,离焦量为-1mm。采用优化工艺得到的焊接接头宏观形貌以及焊缝处微观组织形貌如图5所示。焊缝的宏观形貌如图5(a)所示。焊缝上部为拉长的柱状晶，晶粒较为粗大，其方向垂直于熔合线，柱状晶紧紧依附于母材并逆着热传导方向向焊缝中心生长，具有联生结晶和外延生长的特征。焊缝中心成为两侧晶粒取向发生变化的位置，如图5(b)所示。图5(c)为焊缝中部显微组织，该处同样具有联生结晶的特征，结晶过程在熔池边界开始，非自发形核依附于半熔化的母材晶粒表面上，沿半熔化的母材晶粒向焊缝中心生长［见图5(h)]。热流方向垂直于熔合线，在生长过程中，出现了竞争生长的趋势，与温度梯度方向一致的晶粒取向生长速度快，一直长到焊缝中心处，为拉长粗大的柱状晶；反之，只能长到一定尺寸而终止，为短粗的柱状晶。由图5(d)可知，焊缝下部与上部相似，由于热流方向，焊缝中心线两侧晶粒方向垂直熔合线，而在靠近中心线和底部位置晶粒有向下的趋势，主要原因是焊缝凝固时，有一部分热量向底部散去。在焊缝下部看到有微小气孔，可能是由于铌合金导热系数好，冷却速度快，气孔未能及时逸出导致的。
由图5(e)、5(f)、5(g)可知，热影响区尺寸较小，为等轴晶，晶粒尺寸相对母材较粗大并沿熔合线垂直方向略有拉长，热影响区与母材之间没有特别明确的边界，产生这种现象的原因可能是铌合金具有很好的导热系数，焊缝区域的热量很快在该区域传递出去，所以热影响区高温时间较短，热影响区窄，晶粒长大并不明显，与母材晶粒尺寸相差不大，没有明确的界线。母材组织均匀细腻，为等轴晶组织，如图5(i)所示。

图 5 焊接接头宏观形貌及焊缝显微组织形貌
(a) 焊缝横截面；(b) 焊缝上部；(c) 焊缝中部；(d) 焊缝下部；(e)(f)(g) 热影响区；(h) 图(c) 的放大图；(i) 母材

2.3 力学性能分析
2.3.1 拉伸力学性能
对采用优化参数后的试样进行拉伸试验，分别取3个焊接接头拉伸试样做拉伸平行试验。其中试样1断在热影响区位置，断口处发生颈缩现象，呈现韧性断裂断口形貌，其抗拉强度为479MPa。试样2、3均断在母材位置，断口处发生明显的颈缩现象，呈现韧性断口形貌，如图6所示。试样2微观形貌呈现出大量的韧窝，韧窝大小不一，且伴随着二次裂纹的出现，这些都将会在断裂过程中吸收大量的能量，使得抗拉强度变好，如图6所示。试样2、3的抗拉强度分别为480MPa、483MPa,其抗拉强度曲线如图7(b)所示。由图7(a)可知，母材的抗拉强度分别为489MPa、484MPa、487MPa,故无论是断裂位置为母材还是热影响区，焊缝抗拉强度与母材抗拉强度均相当。

图 6 试样拉伸断口形貌
(a) 试样2整体断口形貌；(b) 在图(a) 中 B 区域的放大图；(c) 在图(a) 中 C 区域的放大图； (d)图(b) 的放大图；(e) 图(c) 的放大图

图 7 拉伸试样载荷位移曲线 (a) 母材试样；(b) 焊接试样

2.3.2 显微硬度分析
对焊缝上、中、下部的区域进行了硬度测试，其硬度分布曲线如图8所示。由于该试样退火不完全，导致上表面和下表面相对于中部硬度更大。焊缝上部从母材到焊缝的显微硬度先减小后增大，熔池界面导热条件很好，冷却速度很快，易产生淬硬组织，故硬度很高。热影响区部分由于热循环的作用发生了一定程度的软化，造成硬度的降低；而在焊缝中部，由于退火不完全，其硬度变化呈现出与焊缝上部不同的情形。从母材区到热影响区，硬度只略微增大，相差无几，在170~180HV之间变化，而在焊缝区硬度突然增大，其硬度值在190~195HV之间变化。在焊缝下部与焊缝上部相似，从母材到焊缝的显微硬度先减小后增大，且各个区域硬度值相接近。总而言之，由于激光焊接较大的能量密度且焊接速度较快，冷速较快，使得焊缝区组织粗大，硬度很高；由于铌合金具有很好的导热系数，传热较快，使得热影响区的组织和显微硬度与母材的相差不大。

图 8 焊接接头显微硬度分布

3 结论
采用6kW的光纤激光器对Nb521高温合金进行了焊接工艺试验研究，研究了不同的焊接工艺参数对焊缝成形及宏观形貌的影响，并对焊接接头的显微组织及力学性能进行了分析，得到以下结论：
(1)随着焊接速度的增大，焊缝熔宽变小，焊缝塌陷有所改善，但焊缝连续性变差。
(2)随着离焦量从-4mm到+2mm之间变化，熔宽先变小后增大，在-1mm附近最小；离焦量为正时，焊缝成形较差，焊缝不连续，存在飞溅以及咬边等缺陷。
(3)当激光功率为6kW,焊接速度为45mm/s,离焦量为-1mm时，焊缝成形良好，为优化的工艺参数。
(4)在优化的工艺参数下，焊缝区为粗大的垂直于熔合线的柱状晶组织，母材为细小的等轴晶组织，热影响区晶粒比母材晶粒稍大。

(5)在优化工艺参数下，焊接接头的抗拉强度与母材相当，分别断于母材和热影响区。
(6)焊缝区的显微硬度高于母材和热影响区的显微硬度，热影响区的显微硬度与母材硬度相当。

香港六和宝典高级资料生产的球形Nb521合金粉采用射频等离子体球化技术制备，具有高球形度、低氧含量和优异的流动性，适合增材制造（3D打印）、高性能零部件制造及航天航空等领域。其优异的耐高温、抗氧化性能和良好的加工性，使其成为高端装备制造的理想材料选择。
多种粒度球形Nb521合金粉均已成熟批量化生产，欢迎咨询联系我们的专业人员，郑经理13318326187。