《Materials Science and Engineering: A》：Mechanical properties and crack suppression mechanism of electron beam welded Nb/Fe-Ni-Co alloy joints via the beam offset-inclination control strategy
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摘要：铌（Nb）与铁镍钴（Fe-Ni-Co）合金之间的可靠连接对于热离子能量转换器结构至关重要，但在电子束焊接过程中，铌的过度熔化容易促进连续脆性金属间化合物的形成以及界面开裂。本研究提出了一种结合电子束偏移和倾斜的控制策略，以调节铌/铁镍钴合金异种接头中的铌和铁镍钴合金的熔
摘要：
铌（Nb）与铁镍钴（Fe-Ni-Co）合金之间的可靠连接对于热离子能量转换器结构至关重要，但在电子束焊接过程中，铌的过度熔化容易促进连续脆性金属间化合物的形成以及界面开裂。本研究提出了一种结合电子束偏移和倾斜的控制策略，以调节铌/铁镍钴合金异种接头中的铌和铁镍钴合金的熔化行为、界面反应和裂纹倾向。结果表明，随着电子束偏移量从0增加到0.5毫米，沿焊缝可观察到的裂纹密度从0.44降低到0.10毫米-1。在居中焊接条件下，焊缝主要由富铌Laves相组成，且在铌侧形成了一层连续的μ/Laves反应层。在μ/Laves界面观察到大量位错堆积和层错，导致局部应力集中和界面开裂。随着电子束逐渐向铁镍钴合金侧偏移，进入熔池的铌含量减少，焊缝微观结构从以Laves相为主的结构转变为具有延展性的γ相和γ/Laves共晶结构。这种转变改变了焊缝中心的微观结构，并增强了其抗裂纹扩展能力。然而，由于电子束能量沿板厚方向的分布不均匀，上部焊接区域的反应层仍然表现出过度生长。仅靠电子束偏移无法完全消除开裂。在进一步引入束倾斜后，铌的熔化率降至3.3%，接头转变为一种类似于熔焊-钎焊的接头，其特征是铁镍钴侧熔化和铌侧轻微界面反应。在焊缝的稳定区域，反应层的平均厚度从16.3微米减小到5.0微米，局部μ相层细化至大约300纳米，从而降低了接头的裂纹倾向。同时，界面缺陷的累积得到了缓解，界面附近的峰值纵向残余拉应力从约172兆帕降至148兆帕。γ相通过多重滑移和位错缠结容纳了大部分塑性应变，而Laves相通过基面层错介导机制参与有限的变形，从而改善了变形协调性并提高了抗裂纹扩展能力。接头的强度从居中接头的120兆帕增加到205兆帕。本研究为实现无裂纹铌/铁镍钴合金异种接头提供了一种有效的能量控制策略。
引言
由于其优异的高温性能和耐腐蚀性[1]、[2]，铌被认为是一种适用于核领域的有吸引力的材料[3]、[4]、[5]。然而，在实际应用中，铌通常需要与过渡金属连接，以满足结构和功能要求。科瓦合金主要由铁、镍和钴组成。在宽温度范围内，其热膨胀系数与常用密封陶瓷的热膨胀系数匹配良好[6]、[7]。这种热膨胀匹配可以减少热循环期间的热应力，并提高界面稳定性和使用可靠性[8]。因此，铌与科瓦合金之间的高质量连接对于热离子能量转换器结构非常重要。
电子束焊接（EBW）具有高精度、高能量密度和真空环境的优势[9]、[10]。它在焊接高熔点金属方面也显示出明显的优势。然而，在异种材料焊接中，不良的冶金兼容性往往会导致脆性金属间化合物层的产生，严重影响接头性能[11]。对于铌/科瓦合金焊接，之前关于铌-铁[12]、[13]、[14]和铌-镍体系[15]的研究表明，严重的冶金反应会形成脆性金属间化合物。这些化合物大大降低了接头的力学性能，还可能引起开裂。目前异种材料焊接的控制策略主要包括冶金控制和能量控制。冶金控制通常引入中间层来抑制母料之间的直接反应。这些中间层要么表现出低反应性，要么形成更稳定的反应产物，因此与没有中间层的接头相比，它们可以提高接头性能[16]、[17]、[18]。然而，在核应用中，常用的铜中间层并不适用于热离子能量转换器结构，因为铜的熔点相对较低，为1085 °C，且抗辐照性能有限。
能量控制通过调整电子束位置来改变局部能量密度分布。该方法可以控制异种材料的熔化行为，并减少冶金反应[19]、[20]。先前的研究表明，束偏移焊接可以将热源移离高反应性一侧。然而，束偏移主要控制电子束能量的横向分布。其沿厚度方向控制熔化的能力有限。对于薄板异种接头，电子束通常会产生不均匀的熔池。接头的上部区域直接暴露于集中的束能量，而下部区域主要受热传导和匙孔效应的影响。因此，即使电子束向科瓦侧偏移，上部铌侧界面仍可能发生过度局部熔化。对于搭接接头和其他复杂接头配置，束倾斜焊接是提高接头性能的有效方法[21]、[22]。在对接焊中，束倾斜可以改变柱状晶的生长路径，从而提高接头性能[23]。通过改变入射束角，束倾斜可以调整热输入路径和熔池演化。Yang等人[24]通过数值模拟表明，适当的入射角可以提高铝合金电子束焊接的质量。这一发现为异种材料对接焊提供了有用的指导。采用钽或铜中间层的激光焊接可以减少脆性化合物的形成，但需要额外的中间层材料和加工工序。钎焊可以减少两种母料之间的直接反应，尽管接头性能在很大程度上取决于填充金属和界面反应。相比之下，电子束偏移焊接不需要额外的材料，并且铌/304不锈钢和铌/GH3128异种接头的拉伸强度分别达到了约156兆帕和163兆帕。然而，束偏移主要调节横向能量分布，对穿过板厚的能量分布的控制有限。当电子束向科瓦侧倾斜时，高能量区域进一步远离上部铌侧界面。同时，科瓦侧的熔池仍能保持有效穿透。这样，铌侧的熔合边界可以转变为类似于熔焊-钎焊的形貌。这种变化有助于减少脆性界面反应产物的厚度和连续性。因此，与单独的束偏移焊接相比，束偏移和束倾斜相结合的策略有望在铌/科瓦合金异种接头中更有效地控制非对称熔化和界面反应。
在本研究中，提出了一种结合电子束偏移和倾斜的控制策略。通过将实验表征与数值模拟相结合，阐明了电子束焊接铌/科瓦合金接头中的裂纹抑制机制，并揭示了焊接参数、微观结构演化和力学性能之间的关系。结果的控制铌熔化，抑制脆性金属间化合物，提高难熔金属/铁基合金异种接头的可靠性提供了指导。
章节片段
材料
选用纯铌和4J29科瓦合金作为母材。4J29合金是一种Fe-29Ni-17Co合金，样品尺寸为70毫米 × 30毫米 × 1毫米。焊接前，对板材表面进行研磨以去除表面不规则，确保界面间隙小于0.1毫米。随后，将样品在无水乙醇中进行超声清洗以去除表面污染物。焊接期间，使用夹持工装固定板材。电子束
接头的宏观形貌
图3展示了电子束焊接铌/科瓦合金的宏观表面形貌。连续检查了完整的70毫米焊缝长度。经光学显微镜确认后，长度至少为0.20毫米的表面裂纹计为一处裂纹。可观察到的表面裂纹密度计算为ρ=N/L，其中N是裂纹数量，L=70毫米是检查的焊缝长度。从图中可以观察到焊缝的上侧是铌金属，下侧
结论
本研究系统地研究了不同工艺条件下铌/科瓦合金电子束焊接接头的裂纹倾向以及微观结构和力学性能的变化，阐明了裂纹抑制机制，并证明了获得具有改善的力学性能的无裂纹铌/科瓦合金接头的可行性。主要结论如下：
- (1)
在束偏移并向科瓦侧倾斜37°之后，焊缝微观结构从
作者贡献声明
XiaoGuo Song：监督，资源，资金获取。Binggang Zhang：写作——审阅与编辑，资源，方法学。Hong Bian：验证，资金获取。Jun Jin：写作——审阅与编辑，验证。Houqin Wang：软件，概念化。Yu Qiu：写作——初稿撰写，软件，调查，形式化分析
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的会妨碍其客观性、影响所报告工作的竞争财务利益或个人关系。
Yu Qiu | Jun Jin | Houqin Wang | Binggang Zhang | Hong Bian | XiaoGuo Song
哈尔滨工业大学，材料结构精密焊接与连接国家重点实验室，中国哈尔滨 150001
