近日，深圳大学教授和课题组提出一种基于液体极端环境的金属焊接技术，借此实现了非晶合金在水、海水、酒精以及在液氮环境下的多种形式焊接。这一不依赖于高温的金属焊接方式，颠覆了以往人们对金属焊接的认知。整体来看，非晶合金焊接件不仅表现出极其优异的力学性能，焊件拉伸强度高达 1500Mpa。相比焊接母材焊接界面，其也表现出更加优异的耐腐蚀性能。图 ǀ 超声振动下非晶合金的自然“软化”现象视频演示（每秒钟振动 2 万次）（来源：Nature Communications）不同于焊接之后焊接件性能变差的普遍情况，非晶合金的液体焊接在不损失力学性能的情况下，焊接界面还能生成更加稳定的非晶结构。目前来看，本次焊接方式能同时被应用于水、易燃易爆的有机溶剂以及极寒的液氮环境中，在国防、海上开采、能源储存、太空探索等领域具有一定应用前景。焊接，尤其是金属材料的焊接，在制造业中发挥着关键作用。当前，越来越多的场合需要用到金属焊接，尤其是在河流、湖泊、海洋等水下环境作业时。当我们谈论金属的焊接时，就能联想到利用热能将待焊接表面熔化，然后结合在一起的过程。一般来说，这个过程需要使用电力或火焰来产生高温。当处于极端环境时，普通焊接过程几乎无法正常进行，其根本原因是焊剂无法正常燃烧，焊接传导热量的过程被限制。此前，尽管人们已经开发出一些水下焊接技术，比如通过屏蔽液体或使用特殊焊极来避免水的影响，从而让焊接件表面发生熔化。然而，水下焊接面临的挑战是艰巨的。以水下湿焊为例，500 ~ 800℃ 的工作温度，以及由此产生的超高冷却速度，会导致焊接区域力学性能的恶化。同时，在如此恶劣的工作环境之下，氢分子、一氧化碳或水蒸气不可避免会形成孔隙。并且，随着水深的增加，电弧的稳定性也会受到影响。最严重的是，熔化金属所需的大电流，可能会对焊接人员的生命安全造成严重的威胁。水下环境只是众多液体环境中的一种，当面临更加复杂的环境时，现有的焊接技术几乎“无计可施”。比如对于酒精、石油等有机液体来说，对于存储这些液体的容器和运输管道，很有必要对其进行定期维护。然而，在这种易燃易爆的环境之下，任何电弧和温升都会带来致命危险。而在更加极端的低温液氮环境之下，那里的环境温度将近-200℃。在这种极寒条件之下，任何常规焊接方式都将束手无策。然而，液氮所代表的极端低温，并不算是罕见场景。例如，地球两极最低温度-66℃、空间站轨道最低温度-100℃，月球最低温度-180℃，火星表面最低温度-143℃。在如此极端的环境之下，传统依靠高温熔化金属实现焊接的方式被完全限制，现有的焊接技术几乎无计可施。 一直以来，对于在太空等低温环境进行焊接工作来说，极端温度一直是摆在面前的难题。因此，假如研制一种能够克服低温的焊接技术，必将为人类在外太空的制造带来真正可用的技术储备，同时对于满足国防、海上开采、能源储存等领域日益严格的焊接加工需求具有重要意义。基于此，该团队启动了本次研究，并重点利用了非晶合金。非晶合金，又称金属玻璃。它是一种通过快速凝固技术而制备的新型高性能金属材料。与常见金属材料相比，它具有独特的无序结构，没有晶体结构的缺陷，整体呈现出卓越的性能，比如拥有极高的强度、优异的耐磨性、软磁性和高耐腐蚀性等。图 ǀ 非晶合金和传统金属材料不同的原子排列方式及优异性能（来源：）近年来，凭借高强度、优异的耐磨性和高耐腐蚀性等优异性能，非晶合金引起学界和业界的极大关注。对于非晶合金材料来说，现有的焊接方法有两种：一种是熔化并随后快速淬火，主要包括激光焊接、爆炸焊接和电脉冲焊接等。另一种方法是在玻璃转变温度进行焊接，例如热压连接和摩擦搅拌焊接。而这些方法都需要高热量输入和复杂的设备，这使得它们也难以在恶劣的液体环境中应用。同时，正是由于非晶合金的高强度、室温脆性和高温晶化行为，导致了非晶合金的加工困难，这也是一直限制其大范围应用的难题。而本次工作正是要为这一难题提出解决方案。图 ǀ 非晶合金在室温下超声振动加工出的各种复杂结构（来源：Nature Communications）研究中，他们造出一种新型金属材料，其具有高强度等性能。在独特的环境中会展现出意想不到的特征。比如在高频超声振动的作用下，只需要很小的力，就能使这类坚固无比的金属材料，在室温下发生类似口香糖或者蜂蜜一样的粘性流。由此可见，这是一种全新的塑性变形机制，课题组将其称之为非晶合金的超声振动诱导塑性（Ultrasonic vibration induced plasticity，UVIP）。基于非晶合金的超声振动诱导塑性，就可以实现该类材料在常温下的软化粘接/焊接。在常规焊接方式中，人们通过高温使金属熔化。而超声振动之下的焊接，先是让焊接表面在低温之下软化，进而发生冶金结合。本次实验结果显示：上述过程之中几乎没有温度的作用参与。进一步的微观检测结果表明，使用该方法焊接的非晶合金几乎没有任何焊缝和缺陷，并且仍能保持非晶态结构。由此可见，这是一种无需热源的金属材料焊接技术。在水中、酒精中甚至在液氮中，都可以实现多种多样的有效焊接。（来源：Nature Communications）据介绍，非晶合金能在超声振动下进行加工，完全得益于其不依赖于温度的“软化现象”，这与大部分研究认为的非晶合金只能在玻璃转变温度软化不同。传统的升温软化会导致非晶合金的结构出现弛豫，性能发生恶化。超声振动的加工方式则会使该材料发生结构“回春”，从而带来性能上的提升。这同时也说明两者是完全不同的变形机制。图 | 非晶合金在各种液体环境下的焊接过程（来源：Nature Communications）另据悉，超声振动加工非晶合金的室温特性，一直是领域内颇为关注的焦点。本次研究中，为了彻底证明非晶合金在超声振动下的焊接不是基于温升，他们将非晶合金的焊接工作放在水下环境。这一想法其实非常简单，因为在水下环境下几乎不可能出现大面积高温。然而，出人意料的是，焊接工作不仅没有因为环境的变化受到任何影响，并且正是因为水下环境抑制了温升和材料的氧化，其焊接表现甚至比在大气中更好。基于以上发现，意识到这或许将是一种有效的水下焊接方法。受此启发他们开始思考：既然焊接过程完全不依赖于温度，那在易燃易爆的有机液体中、以及温度低至-200℃ 的液氮能否顺利进行呢？因为在这些场合，具有广阔的应用前景，但几乎没有任何焊接技术能够应用。后来，他们在实验中成功实现了非晶合金在酒精和液氮环境的焊接，证明超声振动是一种适用于各种复杂极端环境的可靠方法。为了拓宽超声振动的实际应用范围，课题组还尝试了更多可能的焊接方式。比如，尝试了多个非晶板材同时焊接，制造出了复杂的非晶合金构件。除了用于非晶合金之间的焊接之外，超声焊接还有其他功能。为此，他们利用非晶合金的低温软化特性，和其他材料进行连接。例如，他们将非晶合金嵌入到其他构件，并将非晶合金作为铆钉进行铆接。结果显示这种连接方式极其可靠。至此，研究基本告一段落，课题组开始撰写论文并投稿。图 | 非晶合金复杂构件在液体环境下的制造（来源：Nature Communications）针对相关论文，包括日本学士院院士、日本东北大学前校长井上明久（，该审稿人主动选择公开审稿身份）教授在内的多位审稿人，对本次工作给予了高度评价。他们认为这项成果是焊接领域和非晶合金领域令人兴奋的突破性进展。最终，相关论文以《超声振动下金属玻璃的液体环境焊接》 （）为题发在 Nature Communications。深圳大学硕士毕业生李路遥（现为东南大学博士生）是第一作者，担任通讯作者。（来源：Nature Communications）未来，课题组将继续深研非晶合金在超声振动下的高频加载行为，除了克服非晶合金材料的加工难题之外，还将探索低温软化这一特性的根源机理、及其结构性能演化规律。参考资料：
1. Luyao Li, Xin Li, Zhiyuan Huang, … & Jiang Ma. Joining of metallic glasses in liquid via ultrasonic vibrations, Nature Communications, 2023.
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