Mater. Sci. Eng. A：利用钒中间层实现Ti-6Al-4V和17-4PH不锈钢的焊接

【引言】

钛合金由于其耐蚀性好、比强度高、耐热性好等优点，所以广泛在工业中得到广泛的应用，但由于其成本较高，极大限制了其应用了，所以经常将钛合金和低成本的材料一起使用，降低其成本。不锈钢不仅成本低，而且耐磨性好、高温强度高，所以其经常和钛合金一起使用来降低成本。但钛合金和不锈钢性能差异较大，接头会形成脆性相，降低接头性能性能。所以如何实现钛合金和不锈钢的异种焊接成为钛合金广泛应用的关键。

【成果简介】

近日，韩国国立韩巴大学的Jeoung Han Kim（通讯作者）在Materials Science and Engineering: A上发表了最新的研究成果“Dissimilar welding between Ti-6Al-4V and 17-4PH stainless steel using a vanadium interlayer”。在该文中，研究人员研究了钒中间层对Ti-6Al-4V和17-4PH不锈钢异种材料电子束焊和激光焊接接头的影响。

【图文导读】

图1 焊接示意图

（a）光束位于钒中间层的单道焊

（b）两道焊（第一道将不锈钢和钒中间层焊接，第二道将钛合金和钒中间层焊接）

（c）光束位于接头结合面的单道焊

（d）拉伸试样尺寸

图2 EB1焊接接头的显微组织和XRD分析

（a）接头横截面

（b）17-4PH//MZ界面

（c）MZ

（d）Ti-6Al-V//MZ界面

（e）17-4PH//MZ熔化区

（f）Ti-6Al-V//MZ熔化区

（g）相b的TEM图

（h）相b的富Ti粒子

（i）相e的TEM图

（j）焊接接头的XRD图

图3 EB1焊接接头的显微组织和XRD分析

（a）Ti-6Al-V和V中间层的横截面

（b）V中间层和17-4PH不锈钢的横截面

（c）Ti-6Al-V//MZ1的界面

（d）V//MZ2的界面

（e）17-4PH//MZ2的界面

（f）焊接接头的XRD图

图4 拉伸实验和显微硬度

（a）应力-应变曲线

（b）EB1显微硬度

（c）EB2显微硬度

（d）CL显微硬度

（e）PL显微硬度

图5 CL焊接接头显微组织和XRD图

（a）横截面显微组织

（b）V和17-4PH不锈钢的接头显微组织

（c）V和Ti-6Al-V的接头显微组织

（d）17-4PH和MZ1界面

（e）Ti-6Al-V和MZ2的界面

（f）XRD分析

图6 PL焊接接头显微组织和XRD图

（a）横截面显微组织

（b）V和17-4PH接头

（c）V和Ti-6Al-V接头

（d）17-4PH//MZ1界面

（e）Ti-6Al-V//MZ1界面

（f）XRD分析

图7 CL00焊接接头显微组织和XRD图

（a）横截面显微组织

（b）V//MZ界面

（c）MZ和17-4PH界面

（d）MZ界面

（e）XRD分析

图8 CL01焊接接头显微组织和XRD图

（a）横截面显微组织

（b）和（d）17-4PH//MZ界面

（c）MZ和V的界面

（e）XRD分析

图9 CL015焊接接头显微组织和XRD图

（a）横截面

（b）V//MZ界面

（c）MZ//17-4PH界面

（d）XRD分析

图10 CL02焊接接头显微组织和XRD图

（a）横截面

（b）V//MZ界面

（c）MZ//17-4PH界面

（d）XRD分析

图11 拉伸曲线和显微硬度分布图

（a）应力-应变曲线

（b）CL00显微硬度

（c）CL01显微硬度

（d）CL015显微硬度

（e）CL02显微硬度

图12 断面电镜图

（a）EB1断面图

（b）EB2断面图

（c）CL断面图

（d）PL断面图

（e）CL00钒中间层侧的断面图

（f）CL00钢侧的断面图

图13 断面电镜图

（a）CL01钒中间层侧的断面图

（b）CL01钢侧的断面图

（c）CL015钒中间层侧的断面图

（d）CL015钢侧的断面图

（e）CL02钒中间层侧的断面图

（f）CL02钢侧的断面图

图14 铁-钒合金相图和电子束焊接头示意图

（a）Fe-V合金相图

（b）EB1接头示意图

（c）EB2接头示意图

【小结】

本文主要结论如下：

（1）研究表明利用V中间层能够得到没有缺陷的焊接接头，焊缝金属为（βTi,V）相。在V和钢焊接接头中存在类似的（Fe,V）相，但所有试样MZ的成分不同。脉冲激光焊的断裂位置在Fe-V界面，这也导致了接头较低的抗拉强度。电子束焊能够实现得到无缺陷的紧密接头，失效发生在V中间层。

（2）电子束焊1中，3种材料形成了常见的MZ，出现了Fe2Ti和FeTi中间相，这两种脆性相即使少量存在也会成为裂纹源，使得加工过程中，焊接接头发生失效。

（3）控制V的量能够有效控制焊接接头力学性能。随着V含量的增加，显微硬度增加。当接头V含量较低，小于35%时，接头会形成α-Fe + (Fe,V)σ或α-Fe，此时接头的力学性能要比V含量大于35%时要好，V含量大于35%主要形成(Fe,V)σ单相。此外，还要注意控制激光功率避免出现过低的V含量，这可能会出现未熔合和未焊透。

文献链接：Dissimilar welding between Ti–6Al–4V and 17-4PH stainless steel using a vanadium interlayer（Materials Science and Engineering: A，2018，doi.org/10.1016/j.msea.2018.07.015）。

本文由材料人编辑部金属组 杨树 供稿，材料牛编辑整理。

材料人网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu

如果您想在科研中应用材料计算，欢迎您使用材料人计算模拟解决方案。材料人组建了一支来自全国知名高校老师及企业工程师的科技顾问团队，专注于为大家解决各类计算模拟需求。如果您有需求，欢迎扫以下二维码提交您的需求，或直接联系微信客服（微信号：cailiaoren001）