凸出过渡层诱发表面铜富集的Ti-6Al-4V/Inconel 718激光焊接接头的微观组织与失效行为

《Journal of Manufacturing Processes》：Microstructure and failure behavior of Ti-6Al-4 V/Inconel 718 laser-welded joints with protruded-interlayer-induced surface Cu enrichment

　　

•在超细Ti/Ni激光焊接中采用了几何调制的Cu中间层。
•通过调节中间层凸出高度来控制表面Cu富集。
•凸出的Cu改变了熔体流动并促进了富Cu层的形成。
•近表面裂纹路径从脆性TiCu层转移到了富Cu区域。
•PCu接头达到了583.9 MPa的强度，并增强了延性。

**引言**

Ti-6Al-4V（TC4）作为一种代表性的钛合金，凭借其低密度、高比强度、优异的耐腐蚀性能和良好的抗蠕变性能，被广泛用于轻量化航空航天部件和中高温服役环境[1], [2]。然而，由于高温氧化和热致退化，其在航空航天应用中的长期使用温度通常限制在约350°C[3], [4]。

IN718是一种沉淀强化的镍基高温合金，具有高强度以及优异的抗氧化和抗蠕变性能，可承受约650°C的高温，适用于航空航天和能源领域的关键部件[5]。因此，将TC4用于低温区域、IN718用于高温区域，可实现具有增强高温能力的轻量化异种结构。

然而，通过熔焊实现可靠的TC4/IN718连接仍具有挑战性。这一困难源于：(i) Ti基和Ni基合金之间物理和化学性质的明显不匹配；(ii) 焊接过程中易发生严重的相互扩散和化学反应，极易促进硬而脆的金属间化合物（IMCs）的形成。在残余应力和微观组织不连续的共同作用下，这些脆性相往往会加剧接头的裂纹敏感性和脆性断裂。激光焊接（包括光纤激光焊接）因其高能量密度、快速热循环、低变形和易于自动化等特点，被广泛认为是连接异种材料的有效方法。然而，Ti/Ni熔焊通常会产生易形成脆性IMCs的熔合成分。先前的研究报告指出，在Ti/Ni激光焊接过程中可能形成Ti2Ni和TiNi3等TiNi金属间化合物，这些化合物会促进微裂纹的形成并损害接头可靠性[6], [7]。

为解决这些问题，以往研究主要遵循两种策略：(i) 热管理和能量位置控制；(ii) 利用金属中间层调控界面反应路径。在工艺优化方面，可以通过降低热输入或将激光光斑偏向Ni基合金侧来降低TiNi混合程度。Chen等人[8]指出，除了降低总热输入外，激光偏置焊接还可通过减少脆性Ti-Ni IMCs的形成和缓解裂纹问题来改善TC4/IN718激光焊接接头的成形和性能。总体而言，该研究表明热管理和能量位置控制在提高Ti/Ni异种焊接质量方面起着关键作用；然而，当钛和镍在熔池中更充分地共存和混合时，仅靠工艺控制仍然难以完全避免有害反应产物的生成。

因此，许多研究进一步转向通过金属中间层改变反应路径和扩散动力学。近期关于其他异种金属系统的研究进一步表明，中间层合金元素可以调控界面反应动力学，而不仅仅是提供物理隔离。Hesari等人[9]报道，在Al/钢接头中引入含Ni和Cr的不锈钢中间层可以延缓AlFe相互扩散并抑制脆性IMCs的生长，从而提高接头在高温暴露后的耐久性。Nb中间层因能有效阻止TiNi IMCs的形成而被频繁采用，但同时也可能引入新的脆性反应层。Gao等人[10]通过脉冲激光焊接实现了Ti6Al4V/Nb/IN718接头，拉伸强度为145 MPa，并发现尽管TiNi IMCs被消除，但在Nb/IN718界面形成了一种由Nb7Ni6 + NbNi3组成的共晶反应层，该层硬度高且脆性显著，导致接头在该共晶反应层处发生脆性断裂。这一结果揭示了一个典型的权衡：抑制TiNi脆性相可能会伴随着脆性NbNi IMCs的形成。为进一步降低界面脆化风险，提出了多层或复合中间层的概念。基于相图分析，Liu等人[11]提出了一种Nb/Cu多中间层设计，以在Ti和Ni之间构建更具兼容性的过渡结构。在Ti6Al4V与IN718的脉冲激光焊接中，引入Nb/Cu中间层后接头的拉伸强度高达260 MPa，但由于Nb/Cu/IN718反应层中的孔隙，仍然发生了类似脆性的断裂。进一步地，Hu等人[12]使用Cu/Ta多层进行光纤激光焊接，指出该方案能有效防止连续的TiNi和TiCu脆性层的形成，并形成具有逐级过渡的界面结构。接头的拉伸强度达到396 MPa，进一步支持了渐变或多层反应区有助于避免形成单一厚脆层的观点。

Cu被广泛用于许多中间层，因为它可以稀释Ti和Ni之间的直接反应并促进形成相对延展性的Cu基固溶体。然而，在某些条件下Cu也可能引入TiCu IMCs，这使得中间层特性、元素扩散和界面反应之间的耦合尤为重要。组成元素的化学状态也可能影响后续的界面反应。在Al基体/Ni-Cu模型系统中，Hesari等人[13]发现，将Ni和Cu机械合金化为固溶体相比未合金化的Ni和Cu粉末混合物，显著抑制了IMCs的形成和后续生长，这归因于组成元素化学活性的降低。该结果表明，IMCs的演化不仅取决于中间层的标称组成，还取决于反应元素的化学状态和空间分布。Zoeram等人[14], [15]发现增加Cu中间层厚度可减少TiNi形成和裂纹敏感性。在Cu厚度为75 μm时获得最高接头强度（约300 MPa），此时横向裂纹被消除。对于TC4/IN718体系，Yin等人[16]系统研究了0.2-0.4 mm Cu中间层的光纤激光焊接，观察到TC4侧有两个明显的过渡层：富Ti层（主要由Ti2Cu、Ti2Ni组成）和贫Ti层（含有更硬且更脆的金属间化合物，如TiNiCu、TiCr2、TiFe2）。增加Cu中间层厚度促进了富Ti层的增厚。所有接头均在TC4侧界面断裂，0.3 mm Cu中间层的接头表现出最高的拉伸强度约319 MPa；然而，当Cu厚度增加到0.4 mm时强度下降。这些发现表明，虽然Cu中间层在改性界面反应方面有效，但TC4侧过渡层的相组成和空间分布仍是控制断裂位置和失效模式的关键因素。最近，双层中间层被探索以实现更高的接头强度。Han等人[17]通过GTAW堆焊制备了V/Cu复合中间层，随后进行激光焊接，获得了平均445 MPa的拉伸强度。然而，NiV IMCs仍然是脆性断裂的重要来源，再次表明除非仔细控制反应产物及其空间分布，否则用一种脆性反应产物替代另一种并不能从根本上消除界面脆化。

以往研究表明，Cu中间层可以抑制直接的TiNi反应并改变Ti侧过渡层的组成。然而，这些研究主要聚焦于中间层材料选择和厚度优化。在这些研究中，中间层通常与母材表面齐平装配，因此主要被视为组成和扩散调控介质。增加Cu厚度会改变可用于稀释和反应的Cu总量，但并不直接解决Cu的初始位置和递送时间如何影响熔池流动和反应产物的厚度方向分布的问题。

因此，中间层装配几何形状的作用，特别是相对于上下板表面的暴露高度，仍未被充分理解。与传统的厚度调节不同，暴露的中间层可以在完全熔穿之前直接与入射激光相互作用。其优先熔化、坍塌和铺展可能在自由表面提供局部富Cu液态源，从而沿板材厚度方向产生非均匀的Cu分布。这种空间重分布预计会改变Ti的溶解、熔合线迁移、局部IMC层形貌和裂纹路径选择。因此，关键的科学问题是：Cu的空间递送方式（而不仅仅是其总量）是否可以用来调控界面反应并提高接头可靠性。

为解决这一问题，本研究在Ti-6Al-4V/IN718超细激光焊接中引入了Cu中间层的暴露高度作为独立的几何控制变量。对比了齐平和凸出中间层构型，以阐明Cu的优先熔化和表面铺展如何影响熔池行为、厚度方向元素重分布、Ti侧过渡层演变和裂纹扩展。结合高速成像、SEM、EPMA、微XRD、EBSD和纳米压痕，建立了中间层几何形状、表面Cu富集、界面微观组织和力学响应之间的关系。此外，评估了100-300°C下的拉伸行为，以确定几何诱导的富Cu区域如何影响相关热条件下的失效。因此，本工作的创新之处在于通过中间层暴露几何形状来调控Cu的空间分布，而非仅改变中间层组成或厚度。

**试验片段**

**试验材料与焊接工艺**

Ti-6Al-4V和Inconel 718母材的化学成分列于表1。切割板材的尺寸为60 mm × 60 mm × 1.5 mm。异种接头由激光焊接系统制备，该系统包括XYZ三轴运动平台、瑞拓自动化有限公司的BW210激光焊接头和Maxphotonics有限公司的MFSC 1500单模光纤激光器，最大输出功率为1500 W，波长为1060 nm，激光光斑直径为0.04 mm。

图1显示了**异种接头的宏观形貌**

为直接评估Cu中间层的贡献，在相同焊接条件下额外制备了无中间层的TC4/IN718接头，记为NCu。如图2(a)和(b)所示，未经处理的NCu接头的IN718侧已出现明显的裂纹，并贯穿了大部分接头厚度。

相比之下，FCu和PCu接头均呈现出良好的横截面成形，无明显宏观

**表面Cu富集层的形成及其对界面迁移的影响**

以下机理讨论基于高速成像结果、凝固后微观组织、局部力学性能和断后观察之间的空间对应关系。凸出Cu中间层的优先熔化和铺展、近表面Cu富集、过渡层倾斜以及裂纹轨迹的变化均被直接观察到。相比之下，熔体对流、溶解润湿、局部应力重分布的作用则属于

**结论**

在本研究中，采用单模激光器作为热源，通过调节Cu中间层的高度来控制上下焊接表面的Cu含量。系统比较了两种接头的Ti侧界面微观组织、力学性能和失效模式：一种为Cu中间层与母材齐平的接头，另一种为Cu中间层凸出于母材表面的接头。得出以下结论：

1. 与……相比

**CRediT作者贡献声明**

Qi'an Yin：撰写——初稿、验证、方法论、调查、概念化。
Wenjie Ren：监督、方法论、调查、资金获取。
Gang Mou：监督、方法论。
Shanglu Yang：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。

**利益冲突声明**

作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本工作得到上海自然科学基金的资助（项目编号：24ZR1474800）。

Qi'an Yin | Wenjie Ren | Gang Mou | Shanglu Yang