哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
作为一种高温难熔材料，钽钨合金被认为是高性能航天发动机关键部件的
重要备选材料之一，由于材料特殊、应用较少，国内外对于钽钨合金的可焊性
及其焊态组织性能的研究极少，尤其是先进激光焊接技术的应用几乎为空白，
因而掌握钽钨合金材料的焊接特性对材料未来的应用发展至关重要。针对于钽
钨合金高熔点，易氧化且脆性大等焊接难点，本文采用真空激光焊接的方法对
钽钨合金进行焊接，负压条件下材料的沸点会大大降低，光致等离子体也获得
了很好的抑制，因而真空环境下进行激光焊接能量利用率显著提高、热输入减
小、焊接过程更加稳定，在低真空度下就可以有效解决裂纹、气孔、材料氧化
等问题。
本文采用真空激光焊接方法，对Ta-10W合金搭接接头得焊接性进行了研
究。对比分析了不同焊接参数下的工艺特性，建立了激光焊接过程的热-流耦合
有限体积模型，计算分析了不同环境压力下气孔的形成原因；并对Ta-10W合
金的焊缝组织特征及其力学性能进行分析，通过热处理进一步改善了材料的力
学性能并建立起组织与性能的关联性。
试验结果表明，当环境压力为20Pa时可以显著抑制焊接接头的氧化、表面
成形质量获得极大改善。对于搭接接头而言，应保证焊缝接头为非全熔透接头，
建议采用高功率高速的焊接参数，本文在真空环境下所获得的最佳焊接工艺参
数为激光功率5000W，焊接速度2.5m/min，离焦量+3mm。当采用负离焦和低
焊速时，获得的搭接接头会产生全熔透导致背面焊接质量存在隐患，应尽量避
免。针对于焊接接头内部的气孔缺陷，发现当在大气下进行焊接时其焊缝内部
的气孔缺陷较多，气孔尺寸可到几十微米。随着环境压力的逐渐降低，焊缝内
部的气孔缺陷显著降低且气孔极易于出现在搭接接合面处，当环境压力为20Pa
时，其焊缝纵截面无明显气孔缺陷。
基于焊接热、流场的模拟计算分析，揭示了真空环境焊接焊缝气孔率有效
降低的原因，在真空环境下焊接其匙孔直径与大气环境下焊接相比增加了
24.6%，匙孔的坍塌频率与幅度皆相对较低，即在真空环境下匙孔更为稳定，
大大减少了因匙孔波动产生的气泡量，有效控制了气孔形成的主要源头。
在最优工艺参数下Ta-10W合金激光焊接搭接接头的接合面宽度为1.29mm，
接头抗剪强度为389MPa，均断裂于焊缝处。此外，由于目前国内外对于Ta-10W
合金焊态力学性能的研究极少且以抗拉强度为主，因而为了更直观地评价焊缝
--I
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
强度并进行横向对比，本文还对Ta-10W合金的抗拉强度进行测试。接头强度
为母材的80%，通过断口分析其断裂方式为脆断；对接头进行了高温热处理后，
674MPa9534.7%
抗拉强度提升到达到母材性能的％以上，断后延伸率可达，
其断裂方式为韧性断裂。进一步对热处理前后接头在1800℃的高温强度进行测
试，热处理前接头的高温抗拉强度为94MPa而热处理后接头强度为122MPa，
达到母材性能的90%，与热处理前相比提高了约30%。
通过对热处理前后焊缝的组织分析发现，热处理后焊缝组织的XRD峰位
与热处理前相比向高角度发生了一定的位移，即有更多的钨元素发生了固溶使
得其接头强度有所提升；此外，热处理后由于高温下位错密度的显著降低及接
头晶粒取向的变化导致了其塑性获得了大幅提升。
关键词：Ta-10W合金；真空激光焊接；匙孔稳定性；力学性能；热处理
II
--
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
WiththerapiddevelopmentofChineseaerospace,components