轻量化、综合性能和功能的改进是制造业的新兴趋势，这增加了多组件和混合结构的使用需求，因此需要连接不同的材料。例如，在氯碱工业中，苛性钠水溶液必须浓缩到高的浓度（50%质量比），这是通过多效蒸发器系统实现的。与其他金属和镍合金相比，纯镍在高浓度的碱中是一种优良的耐腐蚀材料，因为它在表面形成了一层更加耐磨的氧化膜。因此，纯镍广泛应用于纯碱生产的蒸发器中。然而，从成本的角度考虑，有必要将镍与其他构件结合起来。316不锈钢（316SS）具有优异的拉伸强度和疲劳性能、良好的耐腐蚀性和耐热性，且成本非常低，这使其成为恶劣环境下结构部件的理想选择。Ni与316SS的有效连接不仅能满足力学性能和耐蚀性的要求，而且具有比传统制造方法所不具备的技术和经济优势。
然而，由于镍和316SS之间热物理特性的差异，它们的连接仍然存在一定的挑战。例如，因散热不足而导致的部分熔透，由于溶质稀释不当或在连接异种金属时进行热处理而形成的低熔点共晶，可能使接头容易出现裂纹而失效。通过传统熔焊方法连接镍合金和不锈钢之前已经进行过研究，并且存在已知的凝固开裂、微裂纹、应力腐蚀开裂以及热影响区（HAZ）和焊接区有害Laves相的形成等问题。上述研究在连接环境、过程能耗、操作效率、连接工艺稳定性等方面存在着难以克服的局限性。因此，迫切需要开发一种简便、仅产生局部热量且能耗经济的Ni-316SS连接工艺。
为满足新兴产业领域对节能和高效连接的要求，提出了一种新型的热爆反应（TE）连接方法。首次采用TE反应技术获得了Ni/316SS异种接头。选择Ni-Al混合粉末作为TE反应体系并利用其反应产生的热量作为热源，反应产物作为中间层。研究了温度（800、850和900℃）、保温时间（5、10、15和20min）和连接压力（0、10、20和30MPa）对Ni/316SS接头界面组织、扩散行为和力学性能的影响。相关研究成果以题“Dissimilar joining mechanism, microstructure and properties of Ni to 316 stainless steel via Ni-Al thermal explosion reaction”发表在期刊Materials Science and Engineering A-STRUCTURAL MATERIALS PROPERTIES MICROSTRUCTURE AND PROCESSING（中科院材料类1区期刊，IF=4.652）。
图1 热爆反应连接Ni-316SS装置图。
Ni、Al原子比为1：3，1：1和3：1时，最高燃烧温度分别为886.3℃，1655.5℃和1207.2℃。三者的反应持续时间分别为11s（NiAl3），2s（NiAl）和6s（Ni3Al），在短的时间内放出更多的热量即获得更高的能量密度，以尽量减少局部热源对母材的影响。
图2 不同成分配比的NiAl混合粉末随炉升温的温度曲线。
中间层反应产物致密，无明显孔隙。光学显微照片显示了316SS和Ni基体的典型微观结构，并显示了TE过程后两种基体的结合和反应层的形成。此外，316SS与Ni基体界面附近没有明显的热影响区（HAZ），这主要是由于TE反应过程中NiAl中间层的瞬时放热所致。
图3 Ni-316SS接头整体形貌图（a）以及316SS侧（b）和Ni侧（c）的微观形貌图。
Al元素向316SS基体扩散，Fe元素向中间层扩散约6μm，形成Fe2Al5（Ni，Cr）金属间化合物。Ni和Al元素在整个界面上呈梯度分布，由于Ni和Al元素的相互扩散，形成锯齿状的Ni5Al3和Ni3Al层。
图4 EPMA元素线扫描分析（a）316SS侧，（b）Ni侧。
题目：Ni-Al热爆连接Ni-316不锈钢的机理、组织与性能
作者：蔡小平，任宣儒，桑长城，朱路，李周俊，冯培忠
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509321001374
DOI：https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.140868
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