钨合金/钢异种材料粉末冶金共烧结过程中的液相迁移机理与界面特性研究

The welding component of tungsten (tungsten alloy) and steel has a extensive application in nuclear fusion reactor device and hypersonic weapon equipment. However, W and steel have remarkable difference in their thermal physical properties, which causes high residual stress and the formation of intermetallic compounds in the W/steel joint interfaces by means of conventional welding techniques. In order to improve the matching problem of tungsten/steel interface, this project uses the liquid phase migration characteristics in co-sintering of tungsten/steel dissimilar materials powder. By studying the co-sintering interface liquid content and the concentration distribution of liquid elements at different sintering stages, to reveal the liquid phase migration mechanism of tungsten alloy binder phase at co-sintering interface. The existence form of Ni, Cu elements at co-sintering interface and the interaction between them and W, Fe elements are investigated. The nucleation and growth mechanism of the new intermetallic compounds at co-sintering interface is discussed. The influence of the thickness, coefficient of thermal expansion, and sintering shrinkage characteristics of Ni-Cu soft layer on the interfacial stress value and distribution are studied. The mechanism of how Ni-Cu soft layer relax the interfacial stress is revealed. The research result not only reveal the new interfacial bonding mechanism of dissimilar materials powder co-sintering, but also provide experimental and theoretical basis for using powder metallurgy to prepare dissimilar material connections.

钨及其合金与钢的连接件在核聚变堆装置和高超声速武器装备中有着广阔的应用前景，但由于钨与钢的热物理性能差异较大，现有焊接方法制备钨/钢异种材料结构件存在连接界面易生成金属间化合物和残余应力大的问题。本项目利用钨合金/钢异种粉末材料在共烧结过程中的液相迁移特征改善了钨/钢界面匹配难题。通过研究不同烧结阶段下共烧结界面液相含量和液相元素浓度分布规律，揭示钨合金中粘结相在共烧结界面区域中的液相迁移机制；研究镍、铜元素在共烧结界面中的存在形式及与钨、铁等基体元素间的交互作用规律，探讨共烧结界面金属间化合物新相的形核与长大机制；研究镍–铜软质层的厚度、热膨胀系数和烧结收缩特性对界面应力大小和分布的影响规律，揭示镍–铜软质层缓和界面应力的作用机理。所得结果不仅可揭示异种粉末材料共烧结的界面结合新机制，还可以为采用粉末冶金方法制备异种材料连接件的研究提供试验和理论基础。

钨及其合金与钢的连接件为核聚变堆DEMO装置中偏滤器部件的首选复合结构件，设计与构建钨合金/钢异种材料结构件也有望应用于侵彻类武器中。现有焊接方法制备钨/钢异种材料结构件存在连接界面易生成金属间化合物和残余应力大的问题。本项目提出钨合金/钢异种材料结构件的粉末冶金共烧结制备新方法，通过控制钨合金/钢异质粉末共烧结界面液相迁移以解决连接界面残余应力大和金属间化合物易生成的问题，深入研究钨合金/钢异质粉末共烧结界面的液相迁移机制、金属间化合物等新相的形核与长大机制和镍–铜软质层镍–铜软质层缓和界面应力的作用机理。研究结果表明：（1）钨合金/钢异质粉末共烧结界面协同致密化过程中钨合金中粘结相在毛细管力作用下向钢基体侧发生液相迁移，强烈的固–液界面反应成功实现了钨合金与钢的良好冶金连接；（2）钨合金/钢异质粉末共烧结界面无FeW金属间化合物等硬脆相的生成，其界面层为厚度约50μm的软质FCC结构富Ni–Cu相；（3）钨合金/钢异质粉末共烧结界面存在较大的残余应力，其主要集中在靠近界面的W基体内，硬度约4.5GPa的软质Ni–Cu相层通过屈服与蠕变机制有效地缓解了共烧结界面应力；（4）钨合金/钢异质粉末共烧结界面结合强度高达382.9MPa，其断裂失效表现为：首先由于共烧结界面残余应力集中，裂纹产生于靠近W/Ni–Cu层界面的W基体内，然后迅速沿着钨晶粒扩展，并逐渐延伸至W/Ni–Cu层界面扩散区域和Ni–Cu中间层。本项目所得研究成果在丰富异种粉末材料的共烧结理论方面具有重要的科学价值，对制备高性能异种金属复合材料具有重要的理论指导意义，也可为高性能异种材料结构件的研发与生产应用提供技术支持。