爆炸焊接Nb/SS304复合板中结合界面的分子动力学模拟与实验研究

《Materials Today Communications》：Molecular dynamics simulation and experimental study of the bonding interface in explosive welded Nb/SS304 composite plate

本研究通过分子动力学模拟与实验表征相结合的方法，系统探究了Nb/SS304爆炸焊接接头中原子扩散行为、晶体结构演变及结合机制。实验采用离子磨削制备样品，结合SEM、EDS和EBSD分析，发现焊接区形成高密度位错的细晶强化区，其与>15°大角度晶界和高应变区密切相关。分子动力学模拟将爆炸焊接过程分为加载-冲击-卸载等六个阶段，通过MSD、CNA、DXA和晶界分割分析，揭示了原子扩散贯穿全过程的特性，特别是卸载阶段扩散最显著。在高温冲击下，Nb晶体结构从BCC转变为FCC和HCP，而Fe保持BCC结构。冷却过程中Nb区形成粗大等轴晶，近界面处析出细晶，优化了接头强度与塑性平衡。模拟与实验结果吻合，为多尺度模拟优化爆炸焊接参数提供理论依据。

　　本研究系统地探讨了通过爆炸焊接（EXW）制造的Nb/SS304钢接头在界面处的元素扩散行为、晶体结构演变以及结合机制。通过结合分子动力学模拟和实验表征的方法，研究人员对这一过程进行了深入分析。模拟结果显示，在焊接的各个阶段，原子扩散持续进行，而在卸载阶段，由于压力释放和原子位移的能量障碍降低，扩散现象尤为显著。在冲击产生的高温条件下，Nb的晶体结构从常温下的体心立方（BCC）结构转变为面心立方（FCC）和六方密堆积（HCP）结构，而Fe则从BCC转变为FCC。这种转变是由于冲击引起的剧烈塑性变形所导致的，进而形成了大量1/6<112>的位错。在冷却过程中，Nb区域会首先形成粗大的等轴晶粒，随后在界面附近出现细小晶粒的析出。这种晶粒细化过程有助于提高Nb/Fe结合区域的强度，同时保持材料的延展性。实验分析证实了在涡流熔融区（VMZ）和界面熔融区（IMZ）中都发生了元素的混合与扩散。特别地，IMZ中的Nb碎片与熔融液发生了更完全的互反应，这是由于其冷却速率较慢。晶粒细化区与高角度晶界（>15°）和高应变区域密切相关，主要集中在焊接界面处。本研究阐明了界面原子扩散的主要机制以及晶体结构的动态演变规律，为多尺度模拟研究爆炸焊接界面结合机制提供了有价值的参考。

近年来，结合不同金属制造低成本、高性能复合板的技术受到了越来越多的关注。然而，当使用传统的焊接方法如冷金属转移、电阻点焊、摩擦搅拌焊等连接物理和冶金性能差异较大的金属时，界面处往往会形成金属间化合物，这可能会影响复合板的质量和性能。为了克服这些挑战，研究人员探索了多种连接技术，包括爆炸焊接（EXW）、冷喷涂、超声焊接和磁脉冲焊接。其中，EXW由于其能够制造出具有优异结合质量的高性能多层金属接头，已在工业应用中迅速发展。EXW技术利用爆炸产生的能量，驱动飞板以高速撞击基板。在剧烈冲击产生的高压下，基板和飞板之间的界面会发生剧烈的塑性变形。通过两板之间的能量传递机制，金属复合结构在冲击区域得以实现。与传统焊接方法相比，EXW制造的复合材料通常具有更高的结合强度、更大的结合面积以及更小的热影响区等优势。

铌（Nb）作为一种稀有过渡金属，因其具有极高的氢渗透性、优异的高温机械性能以及极小的中子捕获截面，被认为是氢相关核反应堆结构组件的理想候选材料。这些性能在核工业中引起了广泛关注。然而，Nb的高成本限制了其在工程应用中作为独立材料的大规模使用。为了克服这一限制，同时仍能利用其独特的功能特性，Nb通常被与其他钢材（如不锈钢）结合，形成复合材料。这种复合策略有助于在特定功能、成本效益和性能之间实现平衡。因此，EXW被认为是制造Nb/钢复合材料的最优技术。

目前，关于Nb/钢爆炸焊接的研究主要集中在焊接过程、微观结构和机械性能等方面。Bataev等人通过水下爆炸焊接技术将Nb箔层涂覆在不锈钢板上，并观察到了波界面处的涡流区。研究表明，成分和压力的扰动显著增加了EXW过程中亚稳相形成的复杂性。Wang等人对爆炸焊接的Nb/316不锈钢复合板进行了后焊接热处理（PWHT），实验结果验证了在结合界面处不存在脆性金属间化合物层。经过在873K下保温10小时的退火处理后，复合材料表现出最佳的抗剪强度，同时在液氦条件下的夏比冲击试验结果表明其满足用于超导腔氦罐制造的要求。Sabirov等人采用残余张力松弛方法，并对制备的样品进行了低温测试，结果显示焊接缝的机械强度达到约250MPa，且在1.8k的条件下，达到了10^-10 atm/s级别的密封性。此外，Nb板被用作中间层，以提高Fe板与其他材料之间的结合强度和热稳定性，从而成功制造了优秀的三层Al/Nb/Fe和Ti/Nb/Fe接头。Xu等人通过两步数值模拟和多种表征手段，系统研究了Nb/钢界面的微观结构特征和机械性能。Wang等人则在725K至1273K的较大温度范围内对爆炸焊接的Nb/钢复合板进行了PWHT，结果显示复合板的剪切强度在1273K时达到最大值267MPa。

由于EXW过程的瞬态特性，直接实验观察其动态演变存在较大困难。相比之下，数值模拟技术由于其成本效益和捕捉瞬态现象的能力，成为研究EXW机制的重要手段。目前，应用于EXW的主流模拟方法包括欧拉方法、拉格朗日方法、任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法以及光滑粒子流体动力学（SPH）方法。然而，这些方法的模拟尺度通常在微米级别或更大，因此不适用于分析EXW界面处的原子扩散行为。为了实现难熔金属的高质量结合，分子动力学（MD）算法已被应用于焊接领域。Hao等人、Yan等人、Chen等人和Wang等人均利用MD模拟研究了扩展焊接、激光焊接、EXW和超声焊接等焊接过程。Chen等人引入MD模拟研究了EXW过程，并观察到了焊接过程中界面原子的扩散行为。Zhang等人和Ma等人进一步使用MD模拟研究了特定材料组合中的元素扩散模式以及影响元素扩散的主要因素。Feng等人通过MD模拟研究了EXW过程中平面和波浪界面以及细晶形成机制。其他研究人员也采用MD算法研究了EXW过程中的晶粒生长和原子应变行为，得出结论认为压力焊接和扩散焊接是金属结合的主要机制。应用MD算法为研究EXW过程和优化焊接条件提供了关键的理论依据。然而，现有的MD研究在同质材料（如Nb）和异质材料（如钢）的晶格演变过程中探索有限，且在复合板的机械性能方面的研究也较为不足。这种研究空白导致计算结果无法直接反映材料的结合质量。

本文结合分子动力学理论与实验观察，系统研究了Nb/SS304钢接头在爆炸焊接过程中的原子和微观结构演变行为，构建了一个多尺度的研究框架。首先，采用平行爆炸焊接方法将0.2毫米厚的Nb箔层直接涂覆在SS304钢上。随后，对焊接样品进行离子铣削处理。基于实验结果与扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）以及电子背散射衍射（EBSD）对焊接界面处元素分布和晶粒演变的分析，本文揭示了Nb/SS304钢爆炸焊接的结合机制。在此基础上，参考实验的理论参数，对焊接界面进行了微观尺度的MD模拟。为了提高模拟的准确性，将MD模拟过程分为六个不同的阶段。通过包括均方根位移（MSD）、共同邻居分析（CNA）、位错分析（DXA）以及晶粒分割等方法，本文对焊接过程中原子扩散行为、晶体结构演变、晶体缺陷生长以及晶粒转变进行了全面分析。此外，通过径向分布函数（RDF）分析，确定了基板和飞板在不同EXW阶段的相态。最后，对模拟结果与实验结果进行了比较分析。本文利用MD模拟揭示了EXW界面处的原子扩散动力学和晶体缺陷演变机制，并优化了MD模拟过程，为多尺度模拟和异质金属冲击焊接的参数优化提供了参考。