鎢的釬焊研究進展

陳遠亭，李先芬，陳柏炎

（合肥工業大學 材料科學與工程學院，安徽 合肥 230001）

鎢（W）是國際上重要的戰略金屬之一，具有硬度高、熔點高、蒸氣壓低、線膨脹系數低以及在常溫下不受空氣侵蝕等特點。W的提取得到迅猛發展源于1900年的巴黎世界博覽會，在此次博覽會上首次展出了高速鋼，W元素是其重要組成成分，它具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性等優異性能，擁有非常廣闊的應用前景[1]。經過百余年的發展，W及其合金在冶金、國防、電子、核電等領域得到了廣泛的應用與發展，如碳化鎢基硬質合金、耐磨合金、觸頭材料和偏濾器部件等。

在實際應用中，W與異種材料的熔點相差比較大，不適合使用氬弧焊、埋弧焊等熔化焊方式，一般采用釬焊及擴散焊來實現材料之間的連接。釬焊具有低成本、高質量、焊接性能優異等特點，而擴散焊具有精度高、變形小、焊接接頭質量好等特點，但釬焊在尺寸精度、生產效率方面有明顯優勢[2-4]。W在與異種材料進行釬焊時，由于材料之間的線膨脹系數相差較大，如在20～800 ℃，W的線膨脹系數為4.8×10?6/℃，而 Cu 的線膨脹系數為 19.64×10?6/℃，不銹鋼的線膨脹系數為 11.21×10?6/℃[5-6]，這就會導致焊接接頭部位在冷卻過程中產生大的焊接應力，削弱焊接接頭的力學性能，嚴重時可能會導致焊接接頭的開裂[7]。大量的研究表明，通過添加適宜的中間層可以解決上述問題。中間層的添加不僅可以減緩因線膨脹系數不同而產生的應力集中現象，同時中間層的活性原子還可以改善焊接接頭的力學性能。例如，在以陶瓷和1Cr18Ni9Ti不銹鋼為母材，Ag?Cu?Ti為釬料，泡沫 Ni作為中間層的釬焊過程中，焊接接頭的剪切強度能夠達到80.9 MPa，是不添加中間層的9.4倍[8]。雖然研究人員對釬焊已經進行了大量的研究，但我們也要清晰地認識到：科技在不斷進步，新材料在不斷涌現，釬焊技術仍然存在許多的問題需要我們去探究。

1 釬 焊

釬焊是采用比基體材料熔點低的金屬材料作為釬料，在高于釬料熔點，但低于基體材料熔點的溫度，利用液態釬料在基體表面潤濕、鋪展，并與基體材料相互溶解和擴散，填充基體材料間隙而實現基體材料間連接的焊接技術[9]。釬焊作為一種成熟的焊接工藝，已經被普遍用于機械工程、熱能工程、海洋工程及通信工程等領域。對于W的釬焊，其焊接溫度一般都高于900 ℃，屬于高溫釬焊的范疇。

釬焊作為一種古老的焊接工藝，具有明顯的優點：釬焊溫度較低，對基體材料的整體性能影響較小；能夠實現異種金屬材料間的連接以及金屬與非金屬材料間的連接。正因如此，釬焊技術在各行各業得到了廣泛的應用。

在釬焊過程中，釬料是不可或缺的部分。在釬料填充釬縫過程中，液態釬料與固態基體材料間存在溶解和擴散過程，即基體材料向釬料中的溶解和釬料元素向基體材料中擴散的過程。溶解和擴散過程會使得液態釬料的物理性質發生變化，如密度、粘度和熔點等。

釬料的選擇一般根據被連接件的不同而有所差異。在釬焊過程中，液態釬料中的活性元素會與基體材料和中間層發生化學反應，生成化合物，致使液態釬料的活性降低，使基體材料的潤濕性變差，導致焊接接頭強度降低。一般對釬料的基本要求有[10-11]：具有合適的熔點（比基體材料低幾十℃）；良好的潤濕性能；能夠與基體材料發生充分的溶解與擴散；釬料成分穩定、均勻；釬焊接頭合乎技術要求；具有經濟性、安全性（少用有毒材料及重金屬）。

2 W的發展

W是重要的稀有金屬，自18世紀發現了W的存在后，經過百余年的探索，W開始用于生產硬化鋼與合金鋼。此后，W的應用越來越廣泛，得到了快速的發展。中國的W礦儲量、W精礦產量以及W出口量雖然均占全球鰲頭，但中國的鎢產業依然處在全球鎢產業鏈的中下端。與國際先進鎢企業比較，我國在科研以及市場領域還存在較大差距，特別是W精深加工的核心領域鮮有革命性突破，自主研發成果少。生產的產品也多為中低檔產品，無法滿足國內高端產業的需求，大量高技術含量、高附加價值的W產品仍依賴進口[12]。

W的應用大致可以分為4個方向[13-18]：

（1）機械行業：用于特殊用途的碳化物，如切削、耐磨、焊接和噴涂方面；作為高速鋼、工具鋼和模具鋼的重要組成金屬元素。以中國為例，硬質合金年產量可達到1.8萬t，全國高速鋼鋼錠總產量達到10萬t以上。

（2）電子行業：主要用于電燈燈絲、通訊設備、加熱元件等。中國的W絲生產量在20世紀90年代時就已達到了數十億米，在很大程度上促進了中國照明產業的發展。

（3）國防事業：用于軍工領域、核聚變試驗裝置部件、航空航天領域等，W/鋼的釬焊研究源于近年來偏濾器部件的設計轉型。

（4）化工行業：用于生產特種鋼材，以及緩蝕劑、催化劑、紡織染料、陶瓷釉料等重要化工制品，如加氫催化劑WO3的使用對于合理利用有限石油資源、減少大氣污染具有重要意義。

致密W的制備方法主要分為熔煉法和粉末冶金法，受限于W高達3 410 ℃的熔點，制備W的方法主要是粉末冶金法。熔煉法通常用于制備WC和W渣提純。隨著科技的發展，現在已經研發出了低溫燒結、瞬時液相燒結以及微波燒結等方法來獲得W的細晶組織。制備中低檔的W及鎢合金常用粉末冶金法：以W粉末或W粉末與其他非金屬粉末的混合物作為原料，再經成形和燒結來得到各種類型制品。Cordero等[19]使用球磨后快速放電等離子燒結方法制備了晶粒度為130 nm 的超細晶鎢合金，硬度可達12 GPa，動態沖擊強度4.14 GPa。制備高致密度、高性能的W產品是通過制備目標產物的納米粉末然后燒結得到的，范景蓮等[20]采用機械合金化法制備了90W7Ni3Fe納米復合粉末，然后在約1 400 ℃下燒結后得到了晶粒尺寸為3～5 μm的鎢合金，其抗拉強度達到1 130 MPa。

研究W釬焊工藝時，W作為釬焊接頭的重要組成部分，不能忽視它對釬焊接頭成形、脆性相生成、釬焊接頭力學性能等的影響，這也是現今研究W釬焊工藝所面臨的重要課題。

3 W的釬焊

3.1 W/鋼釬焊

在W/鋼的高溫釬焊過程中，由于兩種基體材料的物理性能相差較大，添加合適的中間層能夠有效緩解因材料熱膨脹系數差異引起的殘余應力。Kalin等[21]采用50Fe?50Ni合金作為中間層來實現W/鋼體系的連接，結果表明，50Fe?50Ni合金中間層的添加能夠有效緩解熱循環測試中殘余應力的累積，具有很高的結構穩定性。劉書華[22]采用Ni基微晶釬料，在不添加中間層時，W/鋼釬焊接頭抗拉強度在160 MPa左右；添加V中間層后，W/鋼釬焊接頭的抗拉強度在143 MPa左右。分析認為是由于V與釬料中的B，Ni等元素反應生成脆性相，導致釬焊接頭抗拉強度比不添加中間層時還低；添加Nb中間層后，W/鋼釬焊接頭的抗拉強度在284 MPa左右；采用 Ni?Cu 合金及 Ni?Fe合金為中間層，W/鋼釬焊接頭抗拉強度大約為300和310 MPa。可以看出Ni在W/鋼的釬焊中具有明顯的優勢。

目前核聚變試驗裝置中的偏濾器正在從水冷型向氦冷型發展，相應的偏濾器結構材料也將由不銹鋼發展到低活化鋼、ODS鋼等[23]。未來的核聚變裝置將會產生大量的中子輻照，而Ni會因為中子輻照而產生氦聚集，導致釬焊接頭變脆，將不能作為偏濾器部件釬焊的中間層。對此，Kalin 等[24]研究了以 Ta作為W與ODS鋼連接的中間層的釬焊接頭，通過熱循環試驗表明該結構具有高的穩定性。Oono等[25]在研究W/ODS鋼釬焊界面組織成分時發現，在1 200 ℃保溫240 min后，W原子向鋼基體中發生了明顯擴散，而ODS鋼中僅有少量的Fe原子和Cr原子擴散到W基體中。這是由于原子之間的擴散速率相差較大造成的，在1 200 ℃時，DW=108DCr和DW=400 DFe（D為擴散系數），顯然W原子的擴散能力遠高于Fe原子和Cr原子的擴散能力。

W/鋼體系的釬焊常采用Ni基、Fe基和Ti基的高溫釬料[26]，釬焊溫度偏高，在過高的溫度下保溫易導致鋼基體晶粒粗化，致使釬焊接頭力學性能較母材下降明顯，因此需對釬焊接頭進行焊后熱處理來改善鋼基體性能，提高釬焊接頭強度。但焊后熱處理將延長生產周期，增加額外能耗，提高生產成本。因此，針對W/鋼體系的釬焊，研究人員提出了激光釬焊[27]的方法。但激光焊接設備非常昂貴，且其技術不成熟，仍處于研究階段，未能應用于實際生產。

3.2 W/Cu釬焊

W具有高熔點、低膨脹率和高強度的特點，Cu則具有優異的高導熱性能，因而W/Cu連接件能兼具良好的導熱性能和低熱膨脹率，是一種較為理想的熱沉材料，在核聚變試驗裝置中擁有廣闊的應用空間[28]。

釬焊也廣泛應用于W/Cu的連接中，Barabash等[29]采用Cu?Mn系釬料制備的W/CuCrZr連接件可以承受20 MW/m2，1 000次的電子束疲勞試驗。在W/CuCrZr合金的實際釬焊應用中，同樣可以通過引入中間層的方法來緩解釬焊接頭的熱應力，提高釬焊部件的壽命。試驗結果表明，在釬焊過程中選擇W?Cu功能梯度材料作為W/CuCrZr合金連接的中間層時，可以有效緩解釬焊接頭部位的應力集中，提高接頭的力學性能和使用壽命[30]。Maksimova等[31]對Cu?Mn系釬料進行了研究，試驗結果表明，PM?72 型釬料（Cu?37Mn?1Fe?1Ni?1Si）在釬焊使用中獲得的接頭抗拉強度可以達到242 MPa，在26～28 MW/m2的電子束載荷下承受1 000次循環的測試而不發生失效。

駱瑞雪等[32]也研究了不同釬料對W/Cu釬焊接頭 強 度 的影 響 ，以 4 種 釬料 Au?Ni，Ni?Cr?B?Si，Cu?Mn?Fe?Co，Ag?Cu?Ti作為試驗釬料，經多次試驗測得釬焊接頭剪切強度分別為130～180 MPa，24.7～ 41.3 MPa，15～ 19.5 MPa，124～ 168 MPa。Ni基釬料中Ni元素與W基體中W元素在釬焊溫度下會發生強烈的化學反應，生成脆性化合物，造成釬焊接頭剪切強度偏低。而Cu基釬料對W的潤濕性和流動性差，易產生明顯的宏觀裂紋，從而導致了極低的剪切強度。Ag基和Au基釬料剪切強度最高，這是因為Au基的液相線和固相線相同，蒸汽壓低，流動性好以及潤濕性良好；而Ag基釬料具有熔點低、流動性好等特點，同時釬料中Ti元素對W的化學活性保證了W/Cu能夠實現緊密連接。

3.3 W/W釬焊

核能被認為是未來最具發展前景的綠色能源之一。核能工業中儲能磁約束核聚變堆試驗裝置是獲得受控熱核聚變能的重要組成部分，而偏濾器是該試驗裝置的核心部件[33]。W及其合金材料的優異性能（高熔點、低蒸氣壓以及低濺射腐蝕率）在面向等離子體材料的發展上將具有廣闊的發展空間，未來全W偏濾器可逐步替代W/Cu偏濾器，從根本上提高其凈化功能[34]。

霍方方[35]使用 Ni基、Ti基釬料釬焊 W/W時，發現母材和釬料熔合均較為緊密，接頭熔合線附近沒有裂紋、氣孔等缺陷產生，兩種釬料得到的釬焊接頭強度都與母材的剪切強度較為接近。Sánchez等[36]使用Ni?Mg合金作為柔性填充帶研究W/W的釬焊，在1 075 ℃得到的W/W釬焊接頭的剪切強度可以達到280 MPa。雖然最終的試驗結果并不滿足氦冷卻偏濾器最高使用溫度（約1 200 ℃）的要求，但對于未來的W/W釬焊研究仍具有參考價值。

De Prado等[37]為實現彎曲部件的W/W釬焊，使用86Fe?14Ti粉末與粘接劑質量比分別為95 ∶ 5和90 ∶10兩種柔性釬料來改善釬焊過程。結果表明，在1 350 ℃ 保溫10 min的工藝參數下，W/W釬焊接頭成形良好，這表明W基材料的力學性能在釬焊過程中沒有發生惡化。試驗測得兩個接頭的剪切強度都約為44 MPa，都滿足了構件的基本力學性能要求，但粉末和粘接劑比例為90 ∶ 10的柔性釬料在減少裂紋和減弱脆化現象上更具優勢，更適合用于彎曲部件，而粉末、粘接劑質量比為95 ∶ 5的釬料則相對適用于平板釬焊。

4 結束語

如前文所述，未來全W偏濾器將逐步替代W/Cu偏濾器，從根本上提高其凈化功能。但目前對于W的釬焊研究多集中于W/Cu，W/鋼等，而對同樣具有應用潛力的W/W的釬焊研究較少，這將成為未來的研究重點。

現階段常用于W的釬焊的釬料主要包括Ni基、Ti基、Fe基、Ag基和 Au基釬料，后兩者的潤濕性、流動性都好于前三者，能夠得到緊密連接的釬焊接頭，但生產成本相對較高，限制了Ag基和Au基釬料的使用。而Ni基、Ti基、Fe基釬料使用過程中常會生成脆性化合物，產生溶蝕缺陷等，惡化釬焊接頭力學性能。開發出適用于W的釬焊，并且經濟、高效的釬料將是未來的研究方向。

目前，對于W的釬焊過程中釬料的潤濕與擴散還缺乏有效的理論模型，這需要通過對釬焊成形進行更深入的理論研究，同時借助于計算機對成形過程進行模擬。對于這方面的研究，國內外都鮮有成果，這將是未來的研究重點。