前言

鉭被譽(yù)為耐蝕性最好的金屬，除氫氟酸外不被其他酸侵蝕，且熔點(diǎn)高達(dá)2996 ℃，富有延展性，熱膨脹系數(shù)小，是典型的難熔金屬之一，在超導(dǎo)、芯片、航空航天、化工、原子能、醫(yī)療器械等尖端技術(shù)領(lǐng)域具有不可替代的作用。鉭棒、鉭管、鉭板等鉭及鉭合金的典型應(yīng)用有：航空發(fā)動(dòng)機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)中的葉片、燃燒室耐熱管道、耐熱器件等，對(duì)撞機(jī)中的超導(dǎo)零部件、腔體，石油化工領(lǐng)域的耐蝕容器、管道，原子能工業(yè)中的中子防護(hù)板、核島外殼、快中子反應(yīng)堆控制材料，芯片行業(yè)的濺射靶材，醫(yī)學(xué)上的人工骨材料、各類支架等，是一種重要的戰(zhàn)略物資[1-2] 。

在尖端工程上，高可靠、免維護(hù)、長(zhǎng)壽命零部件的需求與日俱增，用鉭合金替代部分材料已成歷史必然。工程應(yīng)用中的鉭通常作為關(guān)鍵功能件發(fā)揮作用，而功能件尤其是復(fù)雜結(jié)構(gòu)功能件的生產(chǎn)往往需要經(jīng)過(guò)焊接加工。鉭的焊接面臨三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)：一是鉭材熔點(diǎn)高，焊接難度大[3]；二是鉭材一般應(yīng)用在強(qiáng)酸、超高溫等極端環(huán)境中，對(duì)焊縫質(zhì)量要求極高[4]；三是鉭在高溫狀態(tài)下極易與空氣中的氧、氮反應(yīng)，形成鉭化合物脆化焊縫。因此，要得到可靠的鉭焊縫極其困難。

國(guó)外少數(shù)核工業(yè)、航天工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家已掌握了鉭的焊接技術(shù)，在焊接工藝、焊縫成形理論、焊接有限元模擬、焊縫組織/ 成分、腐蝕行為、工業(yè)化應(yīng)用等方面取得了一定的成果    [1] 。相比較而言，國(guó)內(nèi)鉭的研究起步晚、研究機(jī)構(gòu)少，僅個(gè)別科研院所開展了鉭的焊接實(shí)驗(yàn)，且缺乏系統(tǒng)的理論研究。

文中綜述了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在鉭的焊接方面的最新研究進(jìn)展，為國(guó)內(nèi)特種焊接研究人員開展鉭及其他難熔金屬焊接提供參考。

1、鉭的焊接研究進(jìn)展

美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、俄羅斯等工業(yè)、軍工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家均開展了鉭金屬焊接研究，尤其是美國(guó)對(duì)鉭金屬的研究起步早、深入、全面。目前，國(guó)際上鉭的焊接研究主要集中在焊接工藝研究、焊接有限元分析、焊縫腐蝕和成形機(jī)理研究等方面，通過(guò)系統(tǒng)的組織性能表征評(píng)價(jià)焊縫質(zhì)量，進(jìn)而改進(jìn)焊接工藝獲得高質(zhì)量焊縫，相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于航天、化工裝備等領(lǐng)域。我國(guó)在鉭焊接方面的研究集中在鉭功能件的制備生產(chǎn)方面。

1.1　焊接熱源及其焊接工藝研究

目前國(guó)際上主要的鉭焊接方法包括鎢極惰性氣體保護(hù)焊、激光焊、電子束焊、爆炸焊等，由于熱影響區(qū)組織調(diào)控的需求，高能量密度的激光焊、電子束焊成為目前主流的焊接方法；鎢極惰性氣體保護(hù)焊由于在高溫階段升溫速度慢、易形成粗大的熱影響區(qū)組織，作為第一代熱源已逐步被替代；爆炸焊則主要用于制備鉭復(fù)合板材。美國(guó)、德國(guó)等主要的鉭焊接研究國(guó)家對(duì)其焊接工藝開展了較為深入的研究。

美國(guó)國(guó)家宇航局早在 1973 年就采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊方法，在鉭材焊接領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，在氦氣保護(hù)下焊接鉭板熔深達(dá) 9.52mm，并開展了大量力學(xué)性能測(cè)試，形成了 93 頁(yè)技術(shù)文件[5] 。但遺憾的是，弧焊在高溫區(qū)時(shí)升溫速度慢、加熱時(shí)間長(zhǎng)，極易造成焊縫晶粒粗大、內(nèi)應(yīng)力較高等問(wèn)題，因此利用該技術(shù)得到的焊縫難以避免地存在熱裂紋缺陷。

為緩解熱裂紋問(wèn)題，美國(guó)科研人員在鉭的弧焊焊接工藝方面開展了一系列的研究，如電弧電磁振蕩和電流脈沖對(duì)鉭片焊縫組織影響規(guī)律的研究[6] 、表面硅化物涂層對(duì)焊縫性能影響規(guī)律的研究[7] 等，一定程度上改善了熱裂紋缺陷的發(fā)生。

顯然，弧焊并不是鉭的理想熱源，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)國(guó)家能源局勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（lawrence livermore national laboratory，LLNL）在1985 年首次將激光焊接應(yīng)用于鉭的焊接[8] ，打開了激光焊接鉭及其合金的大門。在接下來(lái)的 30 年中，激光焊接成為鉭焊接的主流方法。美國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的激光焊接設(shè)備由固體激光器升級(jí)為光纖激光器[9] ，激光功率由最初的 400 W 提升至 6 kW [10] ，并在焊接工藝方面開展了大量研究[10-12] ，相關(guān)成果應(yīng)用于航天器件、武器裝備的生產(chǎn)與修復(fù)[9] ，部分焊接 效果如圖 1 所示。法國(guó)鉭焊接研究機(jī)構(gòu)也采用了激光焊接路線，應(yīng)用于鉭- 鉭[13] 、鉭- 鈦 [14]等同種、異種金屬焊接，獲得了高質(zhì)量焊縫。

與美國(guó)、法國(guó)等以激光作為主流焊接熱源不同的是，德國(guó)采用電子束焊焊接鉭及鉭合金，其研究主要集中在鉭泰克（Tantec）、世泰科（H.C.Starck）等企業(yè)中，專注于鉭的換熱器、管道、容器等化工裝備的整體加工制造，研究?jī)?nèi)容涵蓋焊工藝、鉭焊縫腐蝕行為、耐蝕性等方面[15] ，其商用產(chǎn)品已經(jīng)占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位；俄羅斯則采用爆炸焊的方法制備鉭 復(fù)合材料，在 2016 年制備出銅- 鉭、銅- 鈦復(fù)合板，并研究了結(jié)合界面的形貌及爆炸焊工藝規(guī)律[16] 。

中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展為我國(guó)鉭鈮研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)焊接裝備水平達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平[17] 。國(guó)內(nèi)鉭的焊接方法囊括了氬弧焊[18-22] 、電子束焊 [23-28] 、激光焊 [29-30] 、爆炸焊 [31]等，與國(guó)際主流焊接方法一致；但國(guó)內(nèi)鉭焊接研究的重點(diǎn)在攻克具體焊接焊接工藝、解決鉭功能件具體生產(chǎn)制備技術(shù)方面[18-19，23-24]；部分科研院所如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等的研究重點(diǎn)在焊縫的組織、性能表征等方面[25-27，30] 。

綜上所述，鉭焊接熱源的更新緊跟焊接裝備發(fā)展的腳步，歷經(jīng)鎢極惰性氣體保護(hù)焊、固體激光/ 光纖激光焊、電子束焊、爆炸焊、等離子弧焊等，向高能量密度、短焊接流程的趨勢(shì)發(fā)展；焊接工藝的研究圍繞所采用焊接方法所涉及的參數(shù)開展，基于焊縫力學(xué)性能、組織形貌、成分變化等對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而改進(jìn)焊接工藝及其附加調(diào)控措施。

1.2　焊接數(shù)值模擬及焊縫材料計(jì)算

隨著計(jì)算機(jī)及軟件技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值分析、材料計(jì)算對(duì)于預(yù)測(cè)焊接工藝、焊縫成形機(jī)理、組織變化規(guī)律的作用逐步提高。1980年，美國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)將有限元模擬應(yīng)用于預(yù)測(cè)氬弧焊焊接鉭板時(shí)的溫度，建立了焊接溫度場(chǎng)的二維模型，并通過(guò)焊接實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[32-33] 。

隨后，焊接有限元模擬的作用被進(jìn)一步發(fā)掘，被用于預(yù)測(cè)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、熔池流場(chǎng)、焊縫形狀等，如法國(guó)大學(xué)科技學(xué)院激光和材料實(shí)驗(yàn)室通過(guò)建立激光點(diǎn)焊焊接有限元模型并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，闡明了鉭焊接過(guò)程中縮孔的產(chǎn)生機(jī)理[13]；賓夕法尼亞大學(xué)通過(guò)建立鉭的激光焊接熔池模型，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出激光焊接熔池形狀[34] ，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相印證，驗(yàn)證情 況如圖 2 所示。

更進(jìn)一步的，材料計(jì)算被用于探索焊縫成形機(jī)理，如 2009 年美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室基于Fact Sage熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)分析鉭焊縫組織的熱力學(xué)穩(wěn)定性，進(jìn)而闡明焊縫凝固過(guò)程中的有利相，其計(jì)算結(jié)果被透射電鏡分析結(jié)果所驗(yàn)證[35] 。

我國(guó)在鉭的焊接有限元模擬、材料計(jì)算方面的研究較為薄弱，公開資料表明，僅有個(gè)別研究人員采用ANSYS 軟件對(duì)鉭鎢合金等離子弧焊的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析[36] 。

綜上所述，焊接有限元模擬對(duì)于焊接過(guò)程中所涉及到的各種場(chǎng)及多場(chǎng)耦合作用機(jī)制具有較好的預(yù)測(cè)作用，能夠準(zhǔn)確反映焊接變量變化趨勢(shì)、指導(dǎo)焊接工藝的改進(jìn)；而材料計(jì)算主要用于研究焊縫組織演變規(guī)律、焊縫成形機(jī)理。

1.3　焊縫破壞機(jī)制研究

鉭焊縫一般服役于強(qiáng)酸、高溫等嚴(yán)苛環(huán)境，焊縫極易發(fā)生破壞，開展焊縫破壞機(jī)制研究對(duì)于改善焊縫質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。

目前國(guó)內(nèi)外鉭焊縫破壞機(jī)制研究主要集中在腐蝕行為研究、裂紋擴(kuò)展機(jī)制研究等方面。如美國(guó)金屬學(xué)會(huì) 2007 年出版的《Corrosion of weldments》[37] ，將鉭焊縫腐蝕行為單列一節(jié)進(jìn)行介紹，彌補(bǔ)了美國(guó)鉭焊縫腐蝕行為研究匱乏的情況；2013 年，美國(guó)美敦力能源與部件中心對(duì)鉭- 鈦合金焊縫裂紋產(chǎn)生機(jī)理開展研究，闡明鉭- 鈦焊縫裂紋是由氫應(yīng)力裂紋機(jī)制產(chǎn)生的[38]；德國(guó)世泰科采用酸、堿等多種環(huán)境對(duì)純鉭、Ta-2.5%W 合金等的焊縫開展了腐蝕實(shí)驗(yàn)研究[39]等；而鉭焊縫在高溫狀態(tài)下的破壞機(jī)制尚無(wú)公開的文獻(xiàn)。

2、存在的問(wèn)題

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，美國(guó)對(duì)鉭的焊接研究比較全面、自成體系，焊裝裝備歷經(jīng)鎢極惰性氣體保護(hù)焊、固體激光焊、光纖激光焊等，研究?jī)?nèi)容涵蓋焊接工藝研究，焊縫組織/ 性能表征、腐蝕行為、焊接有限元模擬、焊縫成形機(jī)制、缺陷形成機(jī)理研究等，其相關(guān)研究成果應(yīng)用于航空航天、原子能、醫(yī)療器械等工程領(lǐng)域。

與美國(guó)相比，雖然中國(guó)鉭鈮骨干企業(yè)經(jīng)過(guò) 20年的飛速發(fā)展，但在鉭鈮焊接研究領(lǐng)域，其研究主體為國(guó)有鉭鈮生產(chǎn)企業(yè)及其配套的研發(fā)體系，偏向應(yīng)用研究的定位決定了其研究主要面向于解決具體的生產(chǎn)技術(shù)難題，也因此凸顯基礎(chǔ)研究薄弱、研究深度不足等問(wèn)題。尤其是焊縫成形機(jī)理研究、焊縫組織調(diào)控方法、有限元分析等方面幾乎處于空白階段，尚需大量深入的理論研究突破技術(shù)壁壘。我國(guó)鉭鈮焊接領(lǐng)域現(xiàn)階段存在的主要問(wèn)題為：

（1）焊縫破壞機(jī)制研究極度匱乏，導(dǎo)致難以確定研究重點(diǎn)。對(duì)鉭焊縫服役環(huán)境及其相對(duì)應(yīng)的破壞機(jī)制缺乏系統(tǒng)的研究，如高溫、高腐蝕、核輻射環(huán)境下的高溫組織演變機(jī)制、腐蝕行為、輻照效應(yīng)等，這些研究?jī)?nèi)容直接決定著鉭零部件服役壽命。

（2）焊縫成形機(jī)理研究較為匱乏，如氣氛保護(hù)狀態(tài)下熔池- 氣氛界面反應(yīng)機(jī)制、焊縫組織調(diào)控機(jī)制、真空狀態(tài)下焊縫成形機(jī)理及其組織演變規(guī)律等，制約了鉭鈮企業(yè)進(jìn)入高附加值的電子、加工材、高端裝備制造領(lǐng)域。

（3）鉭及其合金的基礎(chǔ)研究較為薄弱，造成對(duì)鉭的應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用場(chǎng)景認(rèn)識(shí)不清晰，從而難以把握鉭焊接的研究方向、研究難點(diǎn)、研究重點(diǎn)，這也進(jìn)一步限制了鉭在工業(yè)中的應(yīng)用范圍。

雖然在基礎(chǔ)研究方面，我國(guó)與部分發(fā)達(dá)國(guó)家的差距較為明顯，但值得肯定的是，目前國(guó)內(nèi)鉭的焊接裝備水平已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，焊接方法與國(guó)外主流的焊接方法一致。

3、發(fā)展趨勢(shì)

與國(guó)內(nèi)情況截然不同的是，部分發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、德國(guó)等，將鉭及其合金用于航空、航天、武器裝備、核電、發(fā)動(dòng)機(jī)、化工裝備等具體場(chǎng)景，并根據(jù)服役環(huán)境開展一系列系統(tǒng)的研究，涵蓋焊接工藝、焊縫組織成分、力學(xué)性能、有限元模擬、腐蝕行為等；焊接裝備歷經(jīng)氬/ 氦弧焊、爆炸焊、電子束焊、激光焊等，連續(xù)性、傳承性較強(qiáng)。經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研國(guó)外發(fā)展歷程表明，目前鉭焊接的主要發(fā)展趨勢(shì)為：

（1）基于數(shù)值分析的鉭焊縫組織調(diào)控方法、焊接工藝研究和焊縫成形機(jī)理研究。建立準(zhǔn)確的分析模型仿真高難度的焊接實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而指導(dǎo)焊縫組織的調(diào)控及焊接工藝的調(diào)整；通過(guò)材料計(jì)算分析焊縫組織演變規(guī)律進(jìn)而闡明焊縫成形機(jī)理。

（2）焊縫組織與性能表征之間的內(nèi)在聯(lián)系研究。鉭焊縫晶粒的微觀組織與焊縫電化學(xué)性能、力學(xué)性能密切相關(guān)，獲得高可靠性焊縫的關(guān)鍵在于有效的焊縫組織調(diào)控。

（3）鉭焊縫的破壞機(jī)制研究。目前，國(guó)內(nèi)外在鉭焊縫損壞機(jī)制方面的研究均較為薄弱，而鉭服役于高溫、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下，鉭焊縫的損壞機(jī)制研究能夠有效指導(dǎo)焊接工藝改進(jìn)和組織調(diào)控，是鉭焊接研究的主要方向之一。

（4）焊接裝備趨勢(shì)：焊接熱源向能量密度更高的裝備發(fā)展，激光焊、電子束焊成為目前鉭的理想焊接熱源。

4、結(jié)論

綜上所述，鉭及其合金在航空、航天、武器裝備、原子能、化工裝備等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，但鉭的焊接限制了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的加工制造，如何獲得高質(zhì)量、高可靠的鉭焊縫是該領(lǐng)域亟需解決的技術(shù)瓶頸。

國(guó)內(nèi)外研究人員在鉭的焊接領(lǐng)域開展了大量研究，采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊、爆炸焊、電子束焊、激光焊等方法實(shí)現(xiàn)鉭材連接，研究?jī)?nèi)容涵蓋了焊接工藝、焊縫組織/ 成分、力學(xué)性能、有限元模擬、腐蝕行為等方面。近 50 年的研究歷程表明，高能量密度的焊接熱源如電子束焊、激光焊更適合焊接鉭及其合金；另外，借助數(shù)值模擬、材料計(jì)算方法能夠有 效指導(dǎo)焊縫組織的調(diào)控及焊接工藝的調(diào)整。隨著研究的深入，下一步鉭焊接研究的主要方向和有效途徑是圍繞具體服役環(huán)境分析焊縫的破壞機(jī)制，進(jìn)而研究相應(yīng)的組織調(diào)控機(jī)理，獲得高質(zhì)量焊縫。

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