钼及钼合金简义

钼及钼合金具有熔点高、高温强度高、耐磨性好、导热导电性好、线膨胀系数小以及弹性模量高、抗腐蚀性能好等特点，在国防军工、航空航天、电子信息、能源、化工、冶金和核工业等领域有着不可替代的作用和应用需求。但是，钼及钼合金材料本质上还是属于硬脆材料，因此其焊接性通常较差。为了扩展钼及钼合金的应用领域，国内外研究者对其焊接问题已经进行了大量研究，相关文献从21世纪70年代开始就不断见于报道。

钼及钼合金焊接性分析

1.室温脆性

钥及钥合金的韧性随温度变化并在一个非常狭窄的温度范围内由韧性断裂转变为脆性断裂。纯钥 的韧脆转变温度范围约为140 -150 °C，导致其深加 工困难、产品性能低、应用领域受限。这种脆性被称 为钥的本征脆性，主要是由原子的.外层和次外层 电子均为半满状态这一电子分布特点所决定的。由 于钥及钥合金具有熔点高、导热性好、再结晶温度 高、固态不发生同素异构转变及其bcc晶体结构致 密度低等特点，其焊后焊缝及热影响区尺寸大、晶粒 严重粗化，导致C、N、O等间隙杂质充分扩散并在晶 界上富集、晶界结合强度严重弱化。在材料本征脆 性和晶界杂质偏析现象共同作用下，钥及钥合金焊 接裂纹敏感性高、接头强度和塑韧性很差。

2.气孔缺陷

由于粉末冶金工艺可得到无择优取向的细晶粒组织,难熔金属胚条常用粉末冶金方法制备,导致材 料含有微孔隙和杂质元素、致密度无法与熔炼冶金 制备的材料相比，因此钥及钥合金熔焊通常会遇到 气孔缺陷率高的问题。尤其是残留在微孔隙内的处于高压状态气体危害.为显著，焊接过程中这些高 压气体被释放到高温熔池中后会在熔池中急剧膨胀 从而使钥及钥合金焊接接头质量严重恶化。

钼及钼合金的焊接研究进展

目前，钼及钼合金的焊接方法主要包括鸨极氯 弧焊、电子束焊、激光焊、电阻焊、钎焊和摩擦焊等。

1.电子束焊

潘际銮等人研究了厚度1-5mm粉末冶金纯 钥的电子束焊接。结果表明,焊接速度愈大晶粒度 愈小、晶间杂质愈少，通过提高焊速、减小焊接线能 量可显著改善钥焊接接头的韧性；真空度对接头的 韧脆转变温度影响显著，焊接过程中工件表面氧化物的分解对真空度有较大影响，真空度从10tmm 汞柱提高到10次mm汞柱时接头的韧脆转变温区的上限从约150℃下降到约100℃。杨秦莉等人采用电子束焊接方法对16 mm厚纯钥板进行焊接。结果表明,焊缝呈“钉子”状，焊缝热影响区窄，焊缝中间为粗大的等轴晶、两侧为柱状晶。焊缝和热影响区显微硬度比母材区硬度高。焊接接头不同厚度处显微硬度和力学性能不一致，1 100℃热处理接 头强度.高在焊缝底部。焊接接头拉伸断口全部在焊缝区，呈解理断裂形貌。郑卫胜等人采用真空 电子束焊接方法对16mm厚纯钥材料进行焊接。结果表明，采用真空电子束焊接的纯钥焊缝晶粒长大现象严重。

Morito等发现室温下TZM电子束焊接接 头总是呈现脆性断裂，裂纹起源于晶界，然后沿着晶 界或穿过晶粒扩展。但是当温度超过300℃以后，TZM电子束焊接接头总是呈现韧性断裂，断裂前有明显颈缩现象。此外,研究还发现渗碳和焊后热处 理能够有效提高钥合金晶界结合强度,使TZM合金 和Mo-Re合金电子束焊接接头的室温韧性得到改善。Morito等人进一步研究了在50Mo - 50Re （%，质量分数）合金的基础上进一步增加Re含量 对其焊接性的影响。发现进一步增加Re含量后晶 界结合强度提高、电子束焊接接头韧性改善。即使 是在液氮中，该焊接接头.大弯曲角也可以达到约50℃。Morito等人⑺还通过热模拟试验比较了随 炉冷却和快速淬火冷却两种热处理条件下钥合金 [Mo >99. 9%（质量分数）]焊接热影响区的韧性。发现焊后快冷会使钥合金焊接接头HAZ区的韧性 显著下降,主要原因是快速淬火条件下HAZ区晶界 偏析更显著。Stiitz等人⑻系统地研究了电子束焊 接工艺参数对2 mm厚度TZM合金对接接头中FZ 区尺寸、HAZ区尺寸、FZ和HAZ晶粒尺寸、气孔和 裂纹敏感性的影响。发现线能量较大时气孔缺陷严重，线能量较小时不仅可以抑制气孔而且可以使FZ 区晶粒尺寸明显减小。电子束焊接接头强度可以达 到母材强度的50% ~77%。焊缝和热影响区晶粒粗大，FZ区显微硬度和母材相比下降了20% ~ 31%。在不填充焊材的情况下虽然可以获得成形良 好的电子束焊接头,但是韧性和强度不能满足要求, 因此认为有必要进行填充材料、对焊缝金属进行合 金化的电子束焊接研究。

2. 钨极氯弧焊

王华等人研究了TZM钼合金的钨极氯弧（TIG）焊接，结果表明，在合适的焊接电流、焊接速度和氧气流量下可获得成形良好的焊缝。焊缝区为粗大柱状晶，热影响区是粗大等轴晶。Jiang等 人並研究了 Mo- Cu复合材料与不锈钢的填Cr - Ni焊丝鸨极氧弧（TIG）焊接。王慧芳“门研究发现熔炼钼合金的EBW或TIG焊接焊缝中气孔较少, 而粉末冶金纯钥或钥合金的焊缝中有非常严重的孔洞,并存在大尺寸气孔;添加C可以改善粉末冶金 纯钥或钥合金焊缝的塑性，并能够使焊缝中的气孔 显著减少;细化焊缝中的柱状晶组织可以改善钼和钼合金焊缝的断裂韧性;此外，向焊缝中掺加Ti和Hf也能够减少粉末冶金纯钥焊缝中形成的中心线 裂纹和气孔,使焊缝区的硬度增大，并使拉伸断裂部位由焊缝区向热影响区转移。

Matsuda F.等人皿研究了粉末冶金制备的1.5 mm厚钛错钥合金（TZM合金）的电子束焊接和TIG 焊接。研究发现大的焊接热输入会使TZM合金焊 接接头韧性显著下降,TIG焊接头的韧脆转变温度 比电子束焊接头韧脆转变温度高出约120 ℃。此外，他们还发现TIG焊接时只在焊缝起弧位置和收 弧位置附近出现气孔缺陷，而采用真空环境下的电 子束焊接时焊缝中气孔缺陷显著增加。X射线探伤 结果显示长度200 mm的电子束焊缝中出现了约 700个气孔缺陷。Kolarikova等人研究了纯钥薄 板的电子束焊和鸨极氯弧焊。母材是粉末冶金材 料,经轧制加工为0.2 mm和0.4 mm薄板。EBW焊接采用0.2 mm纯钥板,GTAW焊接采用0.4 mm 薄板。在各自优化工艺条件下，两种方法制备的接 头均未出现裂纹和气孔缺陷。EBW接头和GTAW 接头的FZ区宽度分别为0.8mm和1.7mm,而EBW接头和GTAW接头的HAZ区宽度差异十分显著,分别为1.4 mm和35 mm。EBW接头FZ区和 HAZ区晶粒尺寸也明显比GTAW接头小。表明高能量密度的EBW方法比GTAW方法更适合于焊 接钥。

3.激光焊

Liu等人M研究了厚度0. 13 mm粉末冶金钼合金（50Mo-50Re）搭接接头的Nd：YAG激光连续焊。母材组织为再结晶状态等轴晶，平均晶粒尺 寸约33 jim。保护气体是纯度99.5%的氧气。在 75 W功率、25 mm/min焊接速度和光斑直径为2. 5 mm条件下施焊。焊后熔化区结合界面处出现裂纹,在熔化区结合界面处观察到多处大尺寸气孔,气孔直径约为母材板厚的15% ~20%。断口显微分 析结果表明断裂模式是沿晶断裂，在晶粒内部和晶 界上有大量深色化合物,成分分析表明这些深色化 合物中的C、。含量分别为30%和15%（原子分数）。焊后母材、热影响区和FZ区的显微硬度平均 值分别约为HV290,HV370和HV420,即焊后焊缝 和热影响显著硬化。作者认为粗大组织和有害杂质 元素是结合界面处发生硬化和接头沿晶开裂的主要原因。Lin，Y的研究表面采用脉冲Nd：YAG激光焊方法替代电阻焊方法来焊接直径0.5 mm的针 状纯钥导电原件，结果表明可以使接头强度提高约2倍。

Kramer等人研究了0.5mm厚度Mo- 44.5% Re合金薄板的电子束焊和脉冲Nd：YAG激光焊。母材通过粉末冶金工艺制备，然后经轧制和退化加工，.终获得0. 5 mm厚度的Mo-44.5% Re合金薄板。电子束焊接前用低能量密度的束流对工件进行预热处理。研究发现激光焊接头组织更细小，电子束焊接Mo-44.5% Re合金接头成形良 好，未出现气孔和裂纹缺陷。激光焊接Mo-44.5% Re合金接头的FZ区出现了裂纹，力学性能试验后 激光焊接头断口呈现脆断显微形貌。Chatterjee A. 等人研究了1-2 mm厚锻造态钛错钥合金［Ti 0. 50%（质量分数），Zr 0.08%（质量分数）和C0.04%（质量分数）］对接接头的电子束焊接和电弧前置Nd：YAG激光-TIG复合热源焊接。两种焊接 方法制备的焊接接头中都没有明显的气孔缺陷问 题。两种方法所制备接头的FZ区和HAZ区都分别 是粗大柱状晶组织和粗大等轴晶组织，但是EBW 接头中FZ区和HAZ区的晶粒尺寸明显较小，分别是Hybrid接头中的55%和65%左右。EBW和Hybrid 焊接方法得到的焊缝宽度分别约为1.4 mm和 2.6 mm,但是两种情况下热影响区宽度都约是焊缝区宽度的1. 5倍。两种情况焊缝和热影响区都发生了软化，EBW接头FZ显微硬度比母材下降约 26% ,Hybrid焊接时软化区更宽一些,软化程度也更大一些。拉伸试验结果表明，激光-TIG复合焊和 电子束焊两种焊接方法所制备接头的强度分别约为 母材强度的41%和47%。虽然FZ和HAZ区都发生了软化，但是两种接头在拉伸试验中几乎完全没有表现出拉伸塑性,断面收缩率和延伸率几乎是零, 而母材的延伸率则高达8.4%。两种接头拉伸断口 都呈现穿晶断裂的脆断形貌。虽然EBW焊接是在高真空（＜1.33 MPa）环境下进行的，但是EBW焊接接头FZ区材料的TEM观察结果显示在晶粒内部有大量均匀分布的弥散第二相,其尺寸范围是0.1 -10 Jim。成分分析表明这些弥散第二相是Mo的氧化物，含有约65at%的0和约34. 5%（质量分数） 的Mo。断口分析和TEM试验结果表明焊接接头延伸率几乎为零的原因是晶界偏析。

4. 电阻焊

Xu 等人进行了0.127 mm 厚50Mo - 50Re（%，质量分数）合金搭接接头的电阻点焊工艺优化 研究。母材材料制备手段是粉末冶金，使用纯净度不低于99. 980%粉末,经烧结、轧制后1050℃退火以消除应力，所有加工工程都是在氢气保护下完成, 而且焊前在氨气分解氢中进行1 200℃JO min的脱氧处理。研究发现断电后施加顶锻力的时间越长 接头强度越高、韧性越好。当断电后的顶锻时间从50 ms增加到999ms时，接头的承载能力从100 N 增大到113 N,断口显微形貌从脆性沿晶断裂转变 为韧窝状形貌。EDS结果显示当断电后顶锻时间较小为50 ms时熔化区晶界上出现Mo富集,而当断电后顶锻时间增大到999 ms后没有出现晶界Mo富集现象，熔化区断口成分与母材成分几乎一致。其 原因是断电后顶锻时间增大能够加快焊缝的冷却速率，从而抑制Mo在晶界的偏析。此外，冷却速率增大还能够减小HAZ区尺寸，而HAZ区也是Mo及 Mo合金焊接接头的薄弱区域。研究中还发现各种 焊接条件下接头FZ区都出现了大尺寸气孔缺陷，分析认为原因是粉末冶金材料内部存在有微孔洞，残余的易挥发性物质常见于孔洞内。Elizabeth E Ferrenz等人口刃在钥和鸨铢合金丝的电阻点焊中 采用双脉冲电流波形来控制焊接质量。..脉冲电流较小，主要作用是去除氧化膜；第二个脉冲采用较大电流实现焊接。

5.钎焊

Xia等人研究了0.06 mm厚50Mo - 50Re合 金搭接接头的真空钎焊。母材材料制备手段是粉末 冶金。钎料是熔化温度区间为1 081 ~1 136℃的Ni-Cr-Si-B：Ni-19Cr-7. 3Si-1.5B%（质量分 数）]系钎料。在1 200℃钎焊温度下保温20 min, 所获钎缝成形良好,没有微裂纹和气孔等缺陷,但是在钎缝中心处有CrB和NiSi2脆性金属间化合物生成。Song等人⑵]研究了3 mm厚钛错钥合金[Ti 0. 50% （质量分数），Zr 0.08% （质量分数）和C 0.04% （质量分数）]搭接接头的真空钎焊。钎料是 Ti - 28Ni：%（质量分数）]共晶钎料，钎料熔化温度区间是940 -980℃。钎焊温度范围为1 000 ~ 1 160℃，真空度约为1.33 MPa。在1080℃下保温600s制备的钎焊接头剪切强度达到约107MPa。剪切断口呈现准解理穿晶断裂形貌。