上光所在钛合金与镍基高温合金异种合金激光焊接方面取得重要突破

图 1 接头拉伸结果：(a) 试样工程应力应变曲线 (b) 试样的极限抗拉强度(c) 本研究与已报道文献结果的拉伸强度对比

异质材料的高质量连接是航空航天、新能源汽车、电子封装等高端制造领域的核心关键工艺难点。近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高端光电装备部杨上陆研究员团队在钛合金与镍基高温合金的异种合金激光焊接领域取得重要突破。针对传统Ti/Ni异种接头中脆性金属间化合物易形成、界面组织复杂以及接头强度受限等问题，团队提出了一种基于超细激光光斑能量调控的新型激光焊接方法，实现了界面微结构重构，显著提升了Ti-6Al-4V/Inconel 718异种接头的力学性能。相关研究成果以“Interfacial Microstructure Reconfiguration for High-Strength Ti-6Al-4V/Inconel 718 Dissimilar Joints via Ultra-Fine Laser Beam Welding”为题，发表于Journal of Materials Processing Technology。

Ti-6Al-4V钛合金具有高比强度和优异耐腐蚀性，Inconel 718镍基高温合金则兼具优异的高温强度和热稳定性，两者均在航空航天、海洋工程、能源动力等领域具有重要应用前景。将两者实现高质量连接，可在同一构件中同时兼顾轻量化与高温服役能力，在航空航天等高端装备中具有重要应用价值。然而，由于钛合金与镍基合金之间冶金相容性较差，直接连接过程中容易生成大量脆性金属间化合物，导致接头韧性不足、承载能力受限。现有激光焊接方法虽可在一定程度上改善界面反应，但仍普遍存在界面组织不均匀、脆性相难以有效抑制以及接头强度有限等问题。

针对上述挑战，研究团队采用单模超细激光光束结合单层Cu中间层进行焊接，并通过调控热输入方式实现了界面组织优化。研究发现，超细光斑能够有效提高冷却速率、减小母材熔化范围，并抑制Ni、Fe和Cr等元素向Ti/Cu界面的扩散，从而促进Ti侧过渡层由非均匀双层脆性结构向Ti–Cu梯度结构转变。该梯度结构的成分和硬度分布更加连续，有利于缓解界面性能突变并提高接头承载能力。

图 2 母材熔化量、Ti/焊缝界面元素扩散及过渡层内微观组织演化示意图

进一步研究表明，优化后的界面组织能够有效改变裂纹扩展路径，提升接头的断裂抗力和综合力学性能。力学测试结果显示，采用超细光斑焊接后，接头抗拉强度由常规工艺下的260 MPa显著提升至538.8 MPa，明显优于已报道的传统Ti/Ni异种激光接头性能。

该研究为Ti-6Al-4V/Inconel 718等异种材料的高可靠激光连接提供了新的技术路径。中国科学院上海光学精密机械研究所杨上陆研究员为论文通讯作者，博士生殷琪安为论文第一作者。相关工作得到了上海市自然科学基金的支持。