引言

核動力航空是未來航空領域的一項前沿先進技術，擁有潛在的巨大優勢并面臨巨大的挑戰。鋯合金作為核反應堆結構材料[1-2],具有優異的耐腐蝕性能、力學性能、高溫穩定性和低中子截面等特點[3-4]，被廣泛應用于化工和核工業。鈦合金作為一種輕質合金，因其優異的力學性能和耐腐蝕性被廣泛應用于航空航天領域[5~7]。鋯和鈦都具有HCP結構，并在微觀上表現出相似性。因此,鋯合金與鈦合金的結合可以在保持優異性能的同時實現輕量化設計。在過去的研究中,研究人員探索了不同的焊接方法和工藝，以實現鋯合金與鈦合金的有效連接。SUN等[8]成功地利用鈦作為中間層,實現了Zr-4合金的低溫擴散連接。在650℃時，剪切強度達到294MPa。LI等[9]對TA1和Zr-4合金表面進行了納米技術處理,成功實現了鈦和鋯的擴散焊接。研究結果表明,納米處理后的接頭缺陷減少,抗拉抗剪強度比原接頭提高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，接頭強度達到738MPa。雖然擴散焊、電子束焊等焊接方法在性能上已經滿足了工業需求，但在實際生產過程中，擴散焊通常需要較長的焊接時間，導致效率較低;而電子束焊需要真空環境,對設備要求較高。電阻點焊(RSW)作為一種常用的金屬連接方法，在汽車、航空以及核燃料領域得到了廣泛的應用[11-15],具有操作簡單高效、成本低、焊接質量高等特點。因此，本研究采用電阻點焊工藝開展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性能進行分析評價。本研究填補了鋯合金和鈦合金電阻點焊工藝的空白，對核動力航空具有重要的潛在意義。

1、材料和方法

R60702合金的質量分數為2.22 wt.% Hf、0.044 wt.% Fe、0.009 wt.% Cr和余量Zr,TC4合金的質量分數為6.15 wt.% Al、3.96 wt.% V和余量Ti。本研究實驗采用尺寸為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。整個焊接過程采用水冷卻。焊接前用砂紙對表面進行打磨。R60702合金置于上電極，TC4合金置于下電極。實驗中設置的焊接參數為:焊接電流分別為6kA、8kA、10kA、12kA,焊接壓力為2.4kN,焊接時間為80ms。采用光學顯微鏡(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)對其微觀結構和元素分布進行了分析。采用X射線衍射(XRD，D8Advanced)對熔核區(NZ)進行物相分析;采用華銀HV-1000A維氏顯微硬度計進行硬度測試;采用UTM6104試驗機，以2mm/min的速率進行拉伸-剪切試驗。拉剪試件尺寸為100mmx25mm。

2、結果與討論

接頭宏觀形貌如圖1所示。

焊接接頭表現為非對稱熔核，可明顯觀察到兩側熔核寬度差異，即TC4合金側寬于R60702合金側,主要是由于R60702合金與TC4合金在導熱率和電阻率方面的巨大差異。熔核的運動方向是產生較高熱量和表現出較慢散熱的區域。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，當焊接電流達到12kA時，焊接過程中會產生大量飛濺，如圖3所示，在10kA焊接電流下,接頭中產生了(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合效果。然而，當熱輸入較小時，兩板之間的界面處存在間隙，無法實現良好的冶金結合。

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，低熔點溶質優先在這些區域非均質成核。垂直于熔池邊緣的成核晶粒在外延生長的驅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動下,發生固相轉變(β→a')。平行初生馬氏體在固相轉變初期迅速形核[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。最終的組織尺寸和形貌受冷卻速率的控制。當冷卻速率較大時，發生無擴散相變，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大,由圖5(c)一圖5(f)給出最熱輸入增加，TC4側焊核馬氏形態的變化，當焊接電流12kA時，馬氏體出現顯著的粗化。

接頭的力學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為峰值荷載數據，圖8描述了在拉剪應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，平均峰值負荷逐漸上升。焊接電流為6kA時，平均峰值負荷為4.29kN,失效模式為界面失效模式[17]。此時斷裂面呈河流狀，屬于脆性斷裂。在焊接電流為8kA時,平均峰值載荷為6.51kN,并伴有部分界面破壞模式。斷口表面出現大量韌窩，屬于塑性斷裂。在焊接電流為10kA和12kA時，平均峰值載荷分別達到7.75kN和6.29kN,失效模式過渡到拉拔失效。焊接電流為10kA時，斷口出現大量韌窩,為典型的塑性斷口;焊接電流為12kA時，斷口出現解理面，表現出脆性斷裂特征。值得注意的是，在12kA時剪切峰值負載顯示減少，這與焊接過程中發生的內部飛濺缺陷有關，同時也和焊核內馬氏體組織的粗化密切關聯。

3、結語

1)研究采用電阻點焊制備了R60702合金和TC4合金在不同參數下的成型接頭，接頭呈非對稱核塊，并產生(Zr，Ti)固溶體，熔合區由魏氏組織和  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，當焊接電流為10kA時，接頭力學性能最佳，拉伸剪切峰值荷載達到7.75kN。

3)大熱輸入下接頭具有良好的力學性能,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變為部分界面破壞模式,再轉變為拉出破壞模式。

參考文獻:

[1] YANG J N,ZHANG L J,NING J,et al. Fiber laser welding characteristics of commercially pure zirconium(R60702) and structure- mechanics- corrosion performances of the joint[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2018,73:58-73.

[2] WANG H,WANG Z,CHEN G,et al. Diffusion bonding of Zr-2.5Nb zirconium alloy and 304L stainless steel with Nb/Ni hybrid interlayer[J]. Materials Letters,2022,324:132652.

[3]包春玲,金德華,張有為,等.鋯及鋯合金鑄造工藝與成型技術研究進展[J].材料導報,2024,38(增刊2):377-381.

[4]嚴寶輝，崔春娟，肖穎.退火溫度對鋯合金耐腐蝕性能的影響[J].稀有金屬與硬質合金,2024,52(6):69-74,88.

[5] LI Z,ZHAO W,ZHANG H,et al. Microstructure and corrosion resistance of fusion zone in Ti-6Al-4V alloy welded using pulsed- and continuous-wave lasers[J].Corrosion Science,2023,220:111269.

[6] SUBBARAO R,CHAKRABORTY S. Microscopic studies on the characteristics of different alloys suitable for gas turbine components[J]. Materials Today:Proceedings,2018,5(5):11576-11584.

[7]吳韜文，王寧，陳明和，等.TC4鈦合金高溫流變行為及微觀組織演變研究[J].機械制造與自動化,2022,51(6):36-39.

[8] SUN Z,MA Y K,HE Y J,et al. Phase transition induced low temperature diffusion bonding of Zr-4 alloy using a pure Ti interlayer[J]. Journal of Alloys and Compounds,2023,947:169387.

[9] LI C,SI X Q,BIAN S W,et al. Diffusion bonding of Ti and Zr at ultra-low temperature via surface nano-crystallization treatment[J]. Materials Science and Engineering:A,2020,785:139413.

[10] GAREEV I S,SOBKO S A,SMIRNOV Y G,et al.Features of welded joints based on zirconium-niobium alloy[J]. Welding International,2020,34(1/2/3):119-124.

[11] YANG Y, LUO Z, ZHANG Y X, et al. Dissimilar welding of aluminium to steel:a review[J]. Journal of Manufacturing Processes,2024,110:376-397.

[12]鐘建偉,安軍靖,丁懷博,等.Zr-Sn-Nb-Fe-Cr與Zr-Nb-Fe鋯合金電阻點焊工藝及顯微組織[J].焊接學報,2021,42(8):82-90,102.

[13]王詩瑞.焊接工藝參數對鋯合金電阻點焊性能的影響[J].山西冶金,2024,47(4):75-76,79.

[14]李峰,王丹.定位格架電阻焊熔核偏移工藝優化[J].自動化與儀器儀表,2019(3):151-153.

[15]鐘建偉，盛國福，余國嚴，等.壓水堆新型燃料組件骨架壓力電阻點焊工藝研究[J].熱處理技術與裝備，2020,41(3):19-26.

[16] LI Z, ZHAO W, XIAO G C, et al. Impact of microstructure evolution on the corrosion behaviour of the Ti- 6Al- 4V alloy welded joint using high-frequency pulse wave laser[J]. Journal of Materials Research and Technology,2023,24:4300-4314.

[17] POURANVARI M,MARASHI S P H,SAFANAMA D S.Failure mode transition in AHSS resistance spot welds.Part II: experimental investigation and model validation[J]. Materials Science and Engineering:A,2011,528(29/30):8344-8352.

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