《Engineering Failure Analysis》：CMT-parameter-dependent interfacial evolution and failure behavior of NiTi/316?L stainless steel joints fabricated by cold metal transfer welding process using Cu filler metal
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•铜焊丝焊接连接5 mm镍钛合金与316 L不锈钢。•热输入控制两种异质界面处相互竞争的反应。•低热输入导致未完全熔合以及铜-钢界面失效。•过高的热输入使脆性钛-铜反应层增厚。•适中热输入可获得218 ± 12 MPa的拉伸强度。引言功能合金与结构合金的异质连接是多材料构件的
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铜焊丝焊接连接5 mm镍钛合金与316 L不锈钢。
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热输入控制两种异质界面处相互竞争的反应。
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低热输入导致未完全熔合以及铜-钢界面失效。
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过高的热输入使脆性钛-铜反应层增厚。
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适中热输入可获得218 ± 12 MPa的拉伸强度。
引言
功能合金与结构合金的异质连接是多材料构件的重要路线，其中同一承力系统内的不同区域需要提供不同的性能[1]。这一设计理念对于NiTi形状记忆合金与不锈钢尤为相关。NiTi合金具有形状记忆效应和超弹性，同时还具备良好的生物相容性、耐腐蚀性和阻尼能力，因此被广泛应用于生物医学器件、航空航天结构和振动控制部件[2]。相比之下，不锈钢具有高强度、良好的韧性、耐腐蚀性、成熟的加工性能以及相对较低的成本，使其成为应用最广泛的工程合金之一[3]。可靠的NiTi/不锈钢接头可以将NiTi的功能响应与不锈钢的结构支撑相结合。对于需要将驱动、传感、变形恢复或阻尼与坚固支撑结构集成的部件，此类接头具有吸引力[4]。然而，这种集成需要一种连接工艺，该工艺能够保持功能合金的性能，同时在异质界面处提供足够的冶金结合和机械可靠性。
NiTi与不锈钢的可靠连接仍然困难，因为这两种合金在热物理和冶金方面均不相容。它们在熔点、热膨胀系数和导热率方面的差异可能在焊接过程中产生不均匀温度场、残余应力集中和较差的变形协调性[5]。更关键的是，来自NiTi的Ti与来自不锈钢的Fe或Cr直接接触，很容易促进脆性Fe-Ti和Cr-Ti金属间化合物的形成。NiTi侧过度的反应还可能产生硬的Ni-Ti基相。这些反应产物降低了接头强度和延展性，因为它们使应变集中、限制塑性协调，并为裂纹萌生和扩展提供了容易的路径。例如，TiNi与不锈钢的直接激光焊接在焊缝区域产生了Fe?Ti、Cr?Ti和Ni?Ti，导致拉伸强度有限和脆性断裂[6]。因此，NiTi/不锈钢异质连接的关键挑战不仅仅是熔化并桥接两种合金。而是要在抑制有害的Ti-Fe/Cr反应的同时，保持足够的界面结合以在接头处传递载荷。
金属间层和填充金属已被引入以应对这一挑战，通过改变元素扩散路径并减少Ti与Fe/Cr之间的直接接触。Niu等人[7]通过电子束焊接制备了NiTi/不锈钢接头，并表明没有间层的接头断裂强度有限，证实了界面反应控制的必要性。因此，探索了多种间层体系。Li等人[6]报道了Ni间层改善了与直接焊接相比的接头性能，但仍然形成了硬的Ni-Ti金属间化合物，如Ni?Ti和NiTi?，限制了机械性能。Co填充金属也被用于修改激光焊接TiNi/不锈钢接头中的反应区，但当硬反应产物积累时，界面脆性仍然是一个令人担忧的问题[8]。Ta被考虑是因为它可以在NiTi和AISI 316 L不锈钢之间充当扩散屏障，然而这种间层的有效性仍然取决于局部熔化、反应层的连续性和应力协调[9]。与这些间层相比，Cu因其较低的熔点、良好的流动性和相对较高的延展性而具有吸引力[10]。Cu/SS界面在焊接过程中预期不会形成连续的脆性Fe-Cu金属间化合物层，这使得Cu可用于在保留一定界面顺应性的同时减少直接的Ti-Fe/Cr反应[11]、[12]。然而，Cu并非被动的屏障。Li等人[13]表明，过量的Cu添加或过度的界面反应会促进NiTi/Cu界面处Ti-Cu金属间化合物的形成并恶化接头性能。因此，Cu的使用引入了一个双界面问题：必须改善Cu/SS界面处的结合，但必须避免NiTi/Cu界面处过度的Ti-Cu金属间化合物生长。
除了间层或填充金属的选择之外，焊接工艺通过热循环、熔池行为和反应时间强烈控制这种双界面平衡。基于电弧的工艺对于相对较大或中等厚度的异质构件具有吸引力，因为它们提供高沉积效率、灵活的热源控制以及良好的可达性。Waghmare等人[14]使用钨极惰性气体保护焊在Ti-6Al-4 V基体上制备了NiTi涂层，表明电弧热源可以促进含NiTi系统的冶金结合，尽管微观结构对热循环高度敏感。Jiang等人[15]进一步证明了多丝电弧增材制造可以制备TC4/NiTi异质结构，确认了电弧加工对于含NiTi多材料系统的可行性。这些研究还表明，热暴露必须仔细控制，因为过高的热输入可能会加剧元素扩散、脆性金属间化合物形成和残余应力积累。冷金属过渡（CMT）焊接是一种改良的气体金属电弧焊工艺，与常规电弧焊接相比，它提供更低的热输入和更稳定的短路熔滴过渡[16]。Liang等人[17]展示了在单一焊接条件下使用纯Cu填充金属通过CMT焊接连接1.5 mm厚退火NiTi和316 L不锈钢板的可行性。然而，耦合的CMT参数如何调节中等厚度接头中NiTi/Cu和Cu/SS界面相互竞争的完整性仍然理解不足。增加CMT参数可能改善熔铜的铺展、局部混合和Cu/SS界面处的熔合结合，同时加剧NiTi/Cu界面处的元素扩散和Ti-Cu金属间化合物层生长。这些相反的界面响应可能在Cu/SS界面和NiTi/Cu反应层之间重新引导主要失效路径。因此，阐明这种参数依赖的双界面竞争对于理解中等厚度NiTi/Cu/SS接头的失效至关重要。
在本研究中，使用三组具有同时变化的电流、电压和送丝速度的代表性CMT参数集，使用纯Cu填充金属对接独立制备的5 mm厚NiTi和316 L不锈钢板。系统地研究了焊缝成形、相组成、元素分布、界面微观结构、显微硬度、拉伸性能和断裂行为。还建立了三维瞬态热模型以辅助解释与NiTi/Cu和Cu/SS界面处界面演变相关的热特性。核心目标是确定耦合的CMT参数如何改变Cu/SS界面结合与NiTi/Cu反应层生长之间的平衡，以及这种平衡如何控制主要断裂路径。通过揭示从Cu/SS界面脱粘到NiTi/Cu反应层处或邻近处断裂的参数依赖转变，本工作为理解和控制中等厚度NiTi/Cu/SS异质接头的失效提供了双界面框架。
章节摘要
材料与实验方法
首先使用CMT工艺分别用NiTi和316 L SS焊丝制备了薄壁NiTi和316 L SS沉积层。用于制备两种沉积层的优化CMT参数根据沉积材料而有所不同。对于316 L SS沉积层，焊接电流、弧电压、送丝速度和行走速度分别为165 A、12.5 V、6.0 m/min和5.0 mm/s。对于NiTi沉积层，相应参数分别为140 A、14.1 V、6.0 m/min和5.0 mm/s。
NiTi/Cu/SS接头的宏观形貌与相特征
图5展示了未经焊后机械或化学清理的焊接表面。正面上的焊道几乎没有可见的氧化，表明焊枪输送的氩气提供的局部保护总体上是有效的。正面上的热着色和氧化标记主要分布在局部保护气氛有效覆盖范围之外的邻近基体表面上。背面可见更明显的氧化。
CMT参数对焊缝形貌和界面微观结构演变的影响
使用上述瞬态热模型，比较了代表位置的预测热循环以检验三组CMT参数集相关的相对热趋势。图15展示了不同焊接条件下焊接接头中三个代表位置P1、P2和P3的模拟与实验热循环比较以及模拟热循环。在V7参数集下，温度演变从...中提取。
结论
在本研究中，使用纯Cu作为填充金属通过冷金属过渡焊接对接了5 mm厚的NiTi合金和316 L不锈钢板。系统地研究了CMT参数集V6（421.2 J mm?1）、V7（556.1 J mm?1）和V8（680.7 J mm?1）对NiTi/Cu/SS接头焊缝成形、界面微观结构演变、机械性能和失效行为的影响。还进行了有限元热循环模拟以辅助解释...
CRediT作者贡献声明
梁旭东：撰写-初稿、方法论、调查、数据管理。张欣歌：撰写-审阅与编辑、监督、方法论、经费获取、形式分析。王文权：撰写-审阅与编辑、方法论。赵晓辉：方法论、数据管理。王朵：调查。张智辉：监督。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（编号：2022YFB4600500）的资助。
梁旭东|张欣歌|王文权|赵晓辉|王朵|张智辉
