圖 1 接頭拉伸結(jié)果：(a) 試樣工程應力應變曲線 (b) 試樣的極限抗拉強度(c) 本研究與已報道文獻結(jié)果的拉伸強度對比

異質(zhì)材料的高質(zhì)量連接是航空航天、新能源汽車、電子封裝等高端制造領域的核心關(guān)鍵工藝難點。近日，中國科學院上海光學精密機械研究所高端光電裝備部楊上陸研究員團隊在鈦合金與鎳基高溫合金的異種合金激光焊接領域取得重要突破。針對傳統(tǒng)Ti/Ni異種接頭中脆性金屬間化合物易形成、界面組織復雜以及接頭強度受限等問題，團隊提出了一種基于超細激光光斑能量調(diào)控的新型激光焊接方法，實現(xiàn)了界面微結(jié)構(gòu)重構(gòu)，顯著提升了Ti-6Al-4V/Inconel 718異種接頭的力學性能。相關(guān)研究成果以“Interfacial Microstructure Reconfiguration for High-Strength Ti-6Al-4V/Inconel 718 Dissimilar Joints via Ultra-Fine Laser Beam Welding”為題，發(fā)表于Journal of Materials Processing Technology。

Ti-6Al-4V鈦合金具有高比強度和優(yōu)異耐腐蝕性，Inconel 718鎳基高溫合金則兼具優(yōu)異的高溫強度和熱穩(wěn)定性，兩者均在航空航天、海洋工程、能源動力等領域具有重要應用前景。將兩者實現(xiàn)高質(zhì)量連接，可在同一構(gòu)件中同時兼顧輕量化與高溫服役能力，在航空航天等高端裝備中具有重要應用價值。然而，由于鈦合金與鎳基合金之間冶金相容性較差，直接連接過程中容易生成大量脆性金屬間化合物，導致接頭韌性不足、承載能力受限?，F(xiàn)有激光焊接方法雖可在一定程度上改善界面反應，但仍普遍存在界面組織不均勻、脆性相難以有效抑制以及接頭強度有限等問題。

針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊采用單模超細激光光束結(jié)合單層Cu中間層進行焊接，并通過調(diào)控熱輸入方式實現(xiàn)了界面組織優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，超細光斑能夠有效提高冷卻速率、減小母材熔化范圍，并抑制Ni、Fe和Cr等元素向Ti/Cu界面的擴散，從而促進Ti側(cè)過渡層由非均勻雙層脆性結(jié)構(gòu)向Ti–Cu梯度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。該梯度結(jié)構(gòu)的成分和硬度分布更加連續(xù)，有利于緩解界面性能突變并提高接頭承載能力。

圖 2 母材熔化量、Ti/焊縫界面元素擴散及過渡層內(nèi)微觀組織演化示意圖

進一步研究表明，優(yōu)化后的界面組織能夠有效改變裂紋擴展路徑，提升接頭的斷裂抗力和綜合力學性能。力學測試結(jié)果顯示，采用超細光斑焊接后，接頭抗拉強度由常規(guī)工藝下的260 MPa顯著提升至538.8 MPa，明顯優(yōu)于已報道的傳統(tǒng)Ti/Ni異種激光接頭性能。

該研究為Ti-6Al-4V/Inconel 718等異種材料的高可靠激光連接提供了新的技術(shù)路徑。中國科學院上海光學精密機械研究所楊上陸研究員為論文通訊作者，博士生殷琪安為論文第一作者。相關(guān)工作得到了上海市自然科學基金的支持。

審核編輯 黃宇