攪拌摩擦焊用鎢錸合金的研究進展

李誦斌，易錦偉，習瑤瑤，吳俊杰，諶日葵，李雄斌，馮永山，李閣平，2

（1.江西銅業技術研究院有限公司，江西 南昌 330096；2.中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110055）

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是由英國焊接研究所的Thomas教授于1991年提出的一種新型固態焊接技術［1-2］。1996年，Thomas 教授團隊首次成功采用FSW 技術將鋁合金焊接在一起，這一標志性突破使得FSW 技術逐漸擴展應用到其他材料，如鎂合金、銅、不銹鋼等。經過30余年的研究和改進，FSW 技術被廣泛應用于航空航天、新能源汽車、船舶制造、高鐵和石油行業等多個領域［3-5］。

FSW 技術的工作原理如圖1 所示。將具有特殊形狀的攪拌頭插入待焊接的工件之間，并通過旋轉攪拌頭產生摩擦熱并施加下壓力。摩擦熱使被焊接材料發生軟化并產生塑性變形，而攪拌頭的運動則形成均勻的焊縫將被焊接工件連接在一起。與傳統的熔焊方法相比，FSW 的焊接過程環境友好，不需要額外添加焊接材料或填充材料；焊接接頭的強度可與母材相媲美，能夠滿足許多工程應用的高強度要求；焊接過程中焊接區域受熱影響較小，殘余應力也相對較低，從而減少了材料變形和裂紋的風險。因此，FSW 被視為一種可靠、高效和強度優異的連接方法，是近年來金屬連接領域的研究熱點［6-9］。

圖1 攪拌摩擦焊工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of FSW［10］

攪拌頭材料在攪拌摩擦焊中扮演著關鍵角色。因為攪拌頭直接接觸待焊工件，必須避免與工件發生化學反應，同時能夠承受高摩擦熱、應力和扭轉力。因此，攪拌頭材料必須具備卓越的高溫強度和韌性，良好的耐磨性能，以及在高溫下能保持組織和性能穩定的特點。實現高質量的FSW 焊接要根據工件材料的性質和厚度合理設計攪拌頭結構，更重要的還是要選擇合適的攪拌頭材料，這是推動FSW 技術成功應用的關鍵因素。具有低成本優勢的工具鋼和模具鋼已經成熟地應用于焊接低熔點金屬（如鋁和鎂等）材料［11-13］。然而，對于高熔點和高強度材料，如不銹鋼、鈦及鈦合金等，焊接時最高溫度往往會超過1000 ℃，需要選擇具有更好高溫強度、韌性和耐磨性的高溫工具材料，如難熔金屬合金或者結構陶瓷材料，其中，鎢錸（WRe）合金在眾多候選高溫工具材料中脫穎而出。金屬鎢具有極高的彈性模量（在室溫下達到407 GPa）和高的熔點（3380 ℃）。通過添加錸形成固溶度良好的W-Re 合金，可以顯著提高鎢的硬度、強度以及塑韌性［14-15］。因此，W-Re 合金憑借其優異的高溫強韌性和耐磨性，成為當前鈦合金、不銹鋼等高熔點金屬FSW 最主要的攪拌頭候選材料之一。本文重點介紹攪拌摩擦焊用W-Re合金攪拌頭材料的研究現狀和發展趨勢，以推進其在PSW 領域的廣泛應用。

1 W-Re合金的性能及制備方法

1.1 W-Re合金的性能

純金屬鎢具有高熔點、高密度和高溫強度等眾多優異性能，然而它塑脆轉變溫度（DBTT）高達332 ℃［16］，，在室溫下屬于典型的脆性材料，難以進行切削加工和冷變形。

1955年，Geach 等［17］發現在鎢中添加金屬錸可以顯著改善其室溫塑性，降低DBTT。金屬錸具有高熔點和大彈性模量，且沒有塑脆轉變溫度的特點。向鎢中添加錸會產生“錸效應”，提高鎢合金晶粒組織的穩定性和再結晶溫度，同時降低塑脆轉變溫度（W-24Re 合金的DBTT 為-190 ℃［16］），從而顯著改善其室溫可加工性。所謂“錸效應”，是指錸固溶到鎢中會生成表面張力較大的絡合氧化物。這些氧化物以圓球狀聚集，并不濕潤晶界，提高了晶界的結合強度和延性。因此，在變形過程中有利于孿晶的形成，減少了堆垛層位錯能量的積累。由于鎢和錸的原子序數相鄰，原子半徑相近，密度和熔點相差不大，所以在鎢基體中固溶錸時，鎢和錸的相容性較好，其二元相圖如圖2 所示［18］。隨著溫度升高，錸在鎢中的溶解度增大，室溫下錸在鎢中的最大溶解度可達到26%（按質量計）。因此，W-Re合金中錸的含量通?？刂圃?6%以下（按質量計），以獲得較好的加工性能。當錸含量超過26%時，會析出一種硬度較高且脆性大的σ相，容易導致W-Re 合金加工開裂。Weinberger等［19］使用W-25Re 合金作為攪拌摩擦焊攪拌頭材料，成功焊接了馬氏體不銹鋼，并獲得了良好的焊縫質量，而且發現W-25Re合金在1000 ℃下的耐磨損性能比純鎢材質高4倍。

圖2 W-Re合金二元相圖Fig.2 W-Re alloy binary phase diagram［18］

在實際生產中，隨著錸元素添加量的增加（在固溶極限值以下），W-Re 合金的室溫塑性和高溫性能都會得到改善。Fukuda 等［20］進行了不同錸含量W-Re 合金的組織結構和硬度研究，研究發現，添加錸可以使W-Re 合金的晶粒細化并提高硬度。隨著錸含量的增加，W-Re 合金的晶粒變得更細，硬度也會增加。這是因為W-Re合金的固溶強化過程涉及鎢和錸原子之間的相互遷移，從而在一定程度上抑制了W-Re 合金再結晶的形核和長大過程，起到了細化晶粒的作用。此外，隨著錸含量的增加，原子之間的遷移率也隨之增加，從而提高基體的再結晶溫度。與純鎢（再結晶溫度在1200 ℃左右）相比，W-3Re 和W-24Re 合金的再結晶溫度分別為1577 ℃和1593 ℃，再結晶溫度明顯提高［18］。董帝等［21］以粉末冶金法制備的W-5Re、W-25Re 合金為研究對象，通過高溫摩擦磨損試驗，探究材料的高溫摩擦磨損性能，發現W-5Re 試樣的次表層含有大量裂紋和殘留孔洞，高溫耐磨性明顯低于W-25Re 試樣。由此可知，在攪拌摩擦焊領域中，通常選擇高錸含量的W-Re 合金作為攪拌頭材料，以獲得良好的性能表現。

1.2 W-Re合金的制備方法

W-Re 合金的主流制備方法包括粉末冶金法和熔煉法。粉末冶金法通常選取固-固法、固-液法或液-液法中的一種，制備成分均勻的W-Re 合金粉末，然后進行壓坯成型、高溫燒結和熱塑性變形等步驟加工出型材。這是工業生產中常用的制備工藝，具有材料組織均勻、生產流程簡單和成本低等優點。如果對產品的純度要求較高，可以采用電弧熔煉或電子束熔煉的方法制備W-Re 合金鑄錠，然后進一步加工成W-Re合金型材。這種方法可以制備出氣體雜質含量極低的W-Re 合金，但鑄錠的組織會相對粗大，不利于后續的塑性變形加工。

隨著材料制備工藝的發展，一些新設備和新工藝開始應用于W-Re 合金的制備。為了實現WRe合金的短流程制備，以降低生產成本，Schneider等［22］利用放電等離子燒結技術優勢（即加熱和冷卻速率快、燒結時間短），試圖凈成型制備FSW 用WRe 合金攪拌頭材料。雖然這種方法可以在極短時間內制備出具有細晶組織的W-Re 合金，但極短燒結時間難以形成單一相結構，從而引發成分偏析的問題。此外，后續的固溶熱處理可能會導致晶粒長大，增加成本，從而無法充分發揮該工藝的優勢。因此，研究人員考慮采用熱壓燒結技術制備W-Re 合金。與放電等離子燒結技術相比，熱壓燒結工藝在目標溫度下可以進行較長時間的保溫，有效解決了目標燒結溫度下固溶擴散時間短導致的成分偏析問題。在溫度和壓力的耦合作用下，熱壓燒結工藝有利于促進原料粉末顆粒的接觸擴散和流動傳質過程，從而實現材料結構的均質化，改善材料性能和提高材料密度［23］。值得注意的是，通過設計凈尺寸一體化成型工藝，還能有效降低后續的磨削加工量，簡化工藝流程，從而達到降本增效的效果。然而，采用熱壓燒結方式，每次只能燒結一件或幾件產品，單爐產量較低，間接增加了成本。為了應對這一問題，研究人員選擇采用生產效率更高的熱等靜壓技術對坯料進行高溫高壓熱處理［24］。熱等靜壓施加的全方位壓力使得材料性能更加均勻，而且單爐產量也遠高于熱壓燒結工藝。但需要注意的是，采用熱等靜壓技術時會受到樣品尺寸和形狀的限制，并且設備投入和單爐生產成本相對較高。

2 W-Re合金的復合強化

W-Re合金攪拌頭在FSW過程中取得了不錯的效果，但在使用過程中存在一定程度的磨損［25］，而且Re 含量高導致材料成本居高不下，限制了此類材料的大規模推廣使用。于是，越來越多的研究者嘗試在W-Re合金中添加一定量的碳化物增強顆粒來改善攪拌頭焊接鈦、鋼時的性能，這是因為碳化物具有高硬度、高熔點、高穩定性等特點。通過引入彌散分布的細小第二相碳化物顆粒釘扎晶界遷移和位錯運動，可以達到細化晶粒的效果，還能提高材料的耐磨性。常見的摻雜碳化物主要有：HfC，ZrC，TiC 和TaC等，由表1 可知，HfC 的熔點最高、熱穩定性最好。事實上，HfC彌散強化的WRe 合金也是攪拌摩擦焊領域研究和應用最多的體系。

表1 不同碳化物的物性Table 1 Physical properties of different carbides

為了研究HfC 摻雜對W-Re 合金耐磨性能的影響，Iqbal 等［26］制備了W-25%Re 和W-25%Re-3.2%HfC 兩種合金。兩種合金的微觀組織形貌如圖3所示，可以觀察到HfC 第二相顆粒均勻分布在W-Re合金基體中，起到彌散強化的作用。性能測試結果顯示，在W-25%Re 基體中添加3.2%HfC 可以有效提高合金的硬度和耐磨性。為了進一步增強WRe 合金攪拌頭材料的耐磨性能，他們還嘗試采用物理氣相沉積工藝在W-25%Re-HfC 合金表面鍍一層AlCrN 耐磨涂層［27］，研究結果顯示，經過AlCrN涂層包覆的W-25%Re-HfC 合金攪拌頭的耐磨性能比未包覆的攪拌頭提高了10 倍。從圖4 中的磨痕可以明顯觀察到，沒有涂層的樣品磨損痕跡更粗糙，這說明在攪拌頭材料表面包覆一層耐磨涂層能有效增強其耐磨性能。另外，林小輝等［28］也詳細探究了HfC 摻雜量對W-Re 合金性能的影響［28］，他們制備了含有1%，5%和10% HfC 的W-Re 合金，結果發現HfC 的摻雜量并非越多越好。隨著HfC摻雜量的增加，雖然W-Re-HfC 合金的晶粒尺寸有所下降，室溫抗壓強度及斷裂韌度得到了提高，但只有當HfC 含量為5%時，合金才具有最優的壓縮塑性變形能力。值得一提的是，在高溫燒結過程中，O 元素容易與HfC 發生反應生成HfO2，因此HfC 摻雜量過高會導致合金的致密度降低并形成內部孔洞。同時，他們還采用透射電子顯微鏡（TEM）觀察了HfC 在W-Re 基體中的分布情況［29］，如圖5 所示，納米尺度的HfC 顆粒分布在W-Re 合金的晶界處，起到釘扎晶界、細化晶粒的作用，而且HfC 和W 的界面沒有任何間隙，結合得非常緊密。

圖4 樣品的磨損路徑三維光學顯微圖像［（a）為未涂層，（b）為AlCrN涂層］以及樣品磨損區內的表面輪廓［（c）為未涂層，（d）為AlCrN涂層］Fig.4 Optical 3D micrograph showing wear track of（a）uncoated and（b）AlCrN-coated samples，and surface profile inside the wear track of（c）uncoated and（d）AlCrN-coated samples［27］

圖5 （a）W-Re-HfC復合材料的TEM圖像；（b）W-Re基體（A1區域）和HfC顆粒（A2區域）的SAED圖樣；（c）HfC位于基體中的放大圖Fig.5 （a）TEM image of W-Re-HfC composite；（b）SAED patterns of W-Re matrix（Region A1）and HfC particle（Region A2）；（c）Enlarged view of HfC located within the matrix［29］

Miao 等［30］采用傳統粉末冶金結合熱鍛變形的工藝成功制備出了W-25%Re-0.3%ZrC 合金，并和相同工藝制備的W-25%Re 合金進行了結構和性能的對比分析。研究結果表明，引入納米ZrC 顆?？梢源龠MW-Re 合金在熱鍛變形時的動態再結晶過程，進而導致W-Re 合金中小角度晶界的比例增加，并抑制再結晶退火時的晶粒粗化現象。從圖6中可以看出，在未經退火時，ZrC 的引入明顯提升了W-Re 合金的室溫抗拉強度，但降低了合金塑性。而在高溫退火1600 ℃后，W-25%Re 合金明顯發生了退火脆化現象，而W-25%Re-0.3%ZrC 合金則表現出卓越的抗退火脆化性能。這表明ZrC 相的添加有助于提高W-Re合金在攪拌摩擦焊接過程中的高溫塑性。

圖6 W-Re和W-Re-ZrC合金在高溫退火處理前后的室溫拉伸曲線Fig.6 Room temperature tensile curves of W-Re and W-Re-ZrC alloys before and after high-temperature annealing treatment［30］

3 攪拌摩擦焊用W-Re合金的應用場景

由于鈦合金具有比強度高、耐強腐蝕和耐高熱等優異特性，可用作飛機發動機葉片和起落架、新能源汽車發動機連桿和渦輪增壓器等零部件。隨著我國國產大飛機和新能源汽車的飛速發展，航空航天和新能源汽車用鈦合金材料迎來了前所未有的發展機遇［31-32］。焊接是鈦合金實現可靠連接的一種常用方法，但是常規的熔化焊往往容易造成熱裂紋、孔洞等焊接缺陷，因此如何實現鈦合金的高可靠攪拌摩擦焊接，是促進鈦合金在航空航天和新能源汽車中廣泛應用的有效途徑［33］。鈦合金在攪拌摩擦焊過程中的峰值溫度通常會達到1000 ℃以上，而能在如此高溫下正常使用的攪拌頭材料往往是高熔點金屬合金或結構陶瓷。

謝飛飛［34］進行了一項針對2 mm 厚Ti-6Al-4V合金的攪拌摩擦焊試驗。試驗過程中采用W-Re合金和定向凝固柱晶高溫合金（DZ22）作為攪拌頭材料。焊接完成后進行了焊縫質量和攪拌頭磨損程度的評估。焊接前后形貌對比如圖7 所示。W-Re合金攪拌頭在焊接后未出現明顯的磨損現象，而DZ22 攪拌頭則出現了較明顯的磨損。在DZ22 攪拌頭上，軸肩出現了大量富含Ni元素的顆粒，表明在焊接過程中該攪拌頭磨損較為顯著，導致部分磨損脫落的顆粒重新黏結在攪拌頭上。由此可見，W-Re 合金在該研究中展示出更適合作為攪拌頭材料的特性。為了推動FSW 技術在關鍵航空構件制造及維修領域的發展，王欣等［35］采用W-25Re合金攪拌頭對Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si 合金進行了攪拌摩擦焊接工藝的研究，重點關注了不同轉速下接頭的微觀組織和力學性能。研究結果表明，在不同轉速下，接頭的攪拌區延伸率均顯著高于母材區，展現出較好的塑性特性。這一發現驗證了FSW 技術應用于航空構件領域的優勢，證明了該技術用于加工航空構件時能夠獲得良好的力學性能。攪拌摩擦焊過程中的機械攪拌和高溫影響區域能夠有效改善接頭的塑性變形能力，使接頭具有較高的延伸率和韌性。

圖7 （a，b）W-Re合金和（c，d）DZ22攪拌頭焊接前后的形貌俯視圖Fig.7 Top view of morphologies before and after welding for（a，b）W-Re alloy and（c，d）DZ22 stirrer heads［34］

由于不銹鋼具有良好的力學性能和耐腐蝕性，在油氣輸運、艦船制造等領域被廣泛應用。為了降低成本并滿足復雜服役環境，不可避免地需要進行不銹鋼的焊接。然而，傳統的熔焊方法在連接不銹鋼時容易產生一些問題，比如有害的金屬間相析出、凝固裂紋和元素偏析等，這些問題會導致接頭的強度和韌性降低。不過，通過FSW 工藝可以有效抑制或避免這些問題。Ramesh 等［36］采用W-Re 合金攪拌頭對316 L 不銹鋼進行了FSW 焊接，并且W-Re 合金工具沒有明顯磨損。由圖8 可知，由于高溫下攪拌區的晶粒組織發生了動態再結晶，顯示出明顯的晶粒細化現象。同時，隨著攪拌頭移動速度的增加，晶粒尺寸減小，這種晶粒細化也導致攪拌區的硬度明顯高于母材區。另外，徐蔣明等［37］同樣采用W-Re合金作為攪拌頭材料成功對304 L 奧氏體不銹鋼進行了FSW 焊接，研究發現，FSW 焊接接頭區域由焊核區、熱力影響區、熱影響區和軸肩變形區組成。焊核區的組織為均勻細小的動態再結晶組織，熱力影響區的組織發生了明顯的塑性變形，而焊接接頭區域的強度也明顯高于母材區。

圖8 （a）母材區和接頭區移動速度為（b）45 mm/min，（c）55 mm/min，（d）65 mm/min，（e）75 mm/mi，（f）85 mm/min 的EBSD圖Fig.8 EBSD images of the（a）base material and the joint region at different traverse speeds：（b）45 mm/min，（c）55 mm/min，（d）65 mm/min，（e）75 mm/min，and（f）85 mm/min［36］

對于難熔金屬如鈮合金的焊接，通常采用電子束焊接和激光束焊接等技術。然而，這些技術的應用過程中容易因高熱輸入導致焊縫晶粒粗化以及誘發潛在的氣氛雜質，從而影響接頭的機械性能。與傳統熔焊不同，FSW 技術通常具有較低的熱輸入，并且攪拌頭的機械攪拌可以引起晶粒再結晶，形成細小的等軸晶，從而提高焊接接頭的力學性能。Wang 等［38］首次采用W-Re 合金作為攪拌頭材料，成功地應用FSW 技術焊接了Nb-1Zr 合金，且焊縫無明顯缺陷。由于晶粒尺寸的細化，焊接區的硬度明顯高于母材區。這一發現有助于推動W-Re 合金攪拌頭在難熔金屬焊接中的應用，并開辟了新的應用場景。

4 總結與展望

W-Re 合金憑借其出色的高溫強度、硬度、塑性、耐磨性和抗腐蝕性等優勢，逐漸成為攪拌摩擦焊接鈦合金、不銹鋼和難熔金屬等高熔點合金的首選攪拌頭材料。在航空航天、軌道交通和新能源汽車等領域，W-Re 合金在推動FSW 技術大規模應用上發揮了重要作用。本文對近年來攪拌摩擦焊用W-Re 合金攪拌頭材料的制備方法、復合強化和應用場景的研究進展進行綜述，以期推動W-Re合金攪拌頭材料在攪拌摩擦焊領域的進一步應用，促進FSW技術的發展。

為進一步拓寬W-Re合金在攪拌摩擦焊領域的應用，迫切需要降低W-Re 合金的生產成本，并努力提升其服役壽命。未來針對攪拌摩擦焊用W-Re合金的研究可從以下幾個方面展開：

1）目前粉末冶金法混料、冷熱等靜壓成形、高溫燒結和熱塑性變形是工業上制備攪拌摩擦焊用W-Re 合金最適宜的工藝路線。然而，這些工藝路線存在制備流程冗長和成材率低等問題。未來的研發重點應關注新裝備和新工藝的發展，目標是實現W-Re 合金的短流程制備和凈尺寸一體化成型，進一步簡化工藝流程、降低成本和提高效率。

2）HFC相摻雜W-Re合金的復合強化機制可以顯著提高合金的力學和耐磨損性能，是目前研究和應用最多的體系之一，但相關研究報道比較少。未來的研發趨勢將聚焦于開發新的碳化物摻雜方式，提高碳化物的分散度，設計復合多相結構和表面涂層，以及優化熱處理工藝，進一步改善合金的強度和韌性。