异种钨极气体保护电弧焊中铜与304不锈钢间不互溶Cu与Fe的直接冶金结合

《Materials & Design》：Direct metallurgical bonding between immiscible Cu and Fe in dissimilar gas tungsten arc weld of Cu to 304 stainless steel

　　

研究人员采用Cu-5 wt.%Fe填充丝通过钨极气体保护电弧焊(GTAW)实现了Cu与304不锈钢的连接。在富Fe区与富Cu区界面处形成了薄层α′马氏体，且Cu/α′之间无界面孔洞或中间层，发生直接结合。研究人员揭示了γ/Cu的立方对立方取向关系(cube-on-cube OR)以及Cu/α′的Kurdjumov-Sachs取向关系(K-S OR)。焊缝在室温(RT)与233 K下的抗拉强度分别为260 MPa与245 MPa。

研究背景方面，Cu因优异导热导电性广泛用于换热器、发电与电器，但Cu与钢物理性能差异大，且Fe-Cu体系高温存在显著混溶间隙，凝固时发生液-液分相导致成分偏析与裂纹，异种熔焊困难。激光焊(LBW)与电子束焊(EBW)虽可抑制分相，但设备贵、效率低。GTAW作为低成本替代已被尝试，但界面微观结构不清、易生孔洞裂纹。为此，研究人员以Cu-5 wt.%Fe为填充丝，对Cu管与304不锈钢管进行DC脉冲GTAW搭接焊，系统表征界面晶体学路径与力学行为，论文发表于《Materials》。

关键技术方法上，研究人员选用外径22 mm、壁厚1 mm的C1220-H1/4 Cu管与304不锈钢管，将Cu管端扩口后套接不锈钢管；采用DCEN极性、峰值74 A、基值11 A、脉冲500 Hz、电压12 V、焊速80-100 mm/min、填丝50 mm/min的DC脉冲GTAW；焊后经线切割、电解草酸蚀刻与Kalling II试剂蚀刻，利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、电子背散射衍射(EBSD)、聚焦离子束(FIB)制样结合扫描透射电镜((S)TEM)及选区电子衍射(SAED)分析界面；力学上做维氏硬度、室温和233 K横向拉伸、15 Hz疲劳试验(R=0.1，上限2×10⁶周)。

研究结果部分，3.1节焊缝形貌与概览表明焊缝金属内少量气孔不影响强度，Cu侧热影响区(HAZ)因高导热而宽，Fe/Cu界面无缺陷。3.2节显微组织中，3.2.1富Fe区与未混合区显示该区以δ铁素体为基体并含细Cu颗粒，Ni因Cu-Ni互溶而贫化；EBSD与(S)TEM证实γ奥氏体与Cu呈立方对立方取向关系(cube-on-cube OR)，γ与δ铁素体满足K-S OR，Cu在γ上外延形核。3.2.2富Cu区中Fe基颗粒呈球状与枝晶状共存，为液-液分相与过冷度差异所致；α′马氏体颗粒内高KAM值提示γ→α′相变，Cu与α′满足K-S OR，母相γ与邻Cu近立方对立方。3.2.3富Fe/富Cu界面处形成数微米α′马氏体层，原子分辨ADF-STEM与FFT显示Cu/α′无中间层、无孔洞、原子级连续，并继承K-S OR。3.3节力学性能中，硬度沿Cu母材(86 HV)至Cu HAZ(61 HV)再至焊缝(~50 HV)软化，富Cu区因α′颗粒与缺陷略高于Cu母材；室温与233 K抗拉强度260 MPa、245 MPa，断于Cu管扩口过渡区而非Fe/Cu界面；疲劳强度约95 MPa(2×10⁶周，R=0.1)，同样断于Cu管几何过渡区。

讨论部分指出，尽管Cu-Fe不互溶，但借助γ奥氏体作晶体学桥梁——Cu先在γ上立方对立方外延，γ再经γ→α′转变为α′并继承K-S OR——可实现原子级连续的直接冶金结合；该路径解释了不互溶金属间强结合起源。低温下强度仅微降，界面未成断裂起点，证明GTAW配合Cu-5Fe填充丝可获工业适用接头。

结论部分翻译如下：本研究采用Cu-5 wt.%Fe填充丝通过DC脉冲GTAW制备Cu/304不锈钢异种焊缝。焊缝由富Cu区、富Fe区、未混合区、部分熔化区及Cu与304钢HAZ组成；富Fe区以δ铁素体为主含少量γ与Cu颗粒，富Cu区为Cu基体含α′马氏体颗粒，两区界面生成薄α′马氏体层。TEM表明Cu以立方对立方OR外延于γ奥氏体，随后γ→α′相变使Cu/α′继承K-S OR。高分辨TEM揭示α′/Cu界面原子级连续且无中间层或孔洞，证明不互溶Cu与Fe可在焊接中直接冶金结合。焊缝室温与233 K抗拉强度分别为260 MPa与245 MPa，2×10⁶周R=0.1疲劳强度约95 MPa；拉弯与疲劳均断于Cu管而非Fe/Cu界面，表明直接结合界面非优先断裂路径。