Effect of High Current Pulsed Electron Beam Modification on Element Diffusion and Properties of Ti6Al4V/AISI 316L Stainless Steel Diffusion Welded Joints

GAO Qi; YU Jie; YANG BoHang; HAO Shengzhi; TIAN Nana

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2025.10.17

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Effect of High Current Pulsed Electron Beam Modification on Element Diffusion and Properties of Ti6Al4V/AISI 316L Stainless Steel Diffusion Welded Joints
Vol. 55, Issue 10, Pages: 159-169(2025)
Received：28 August 2025，

Published：20 October 2025
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.10.17
稿件说明：

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高奇，俞杰，杨勃行，等.强流脉冲电子束改性对Ti6Al4V/AISI 316L不锈钢扩散焊接头元素扩散与性能的影响［J］.电焊机，2025，55（10）：159-169. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.10.17.

GAO Qi, YU Jie, YANG BoHang, et al.Effect of High Current Pulsed Electron Beam Modification on Element Diffusion and Properties of Ti6Al4V/AISI 316L Stainless Steel Diffusion Welded Joints[J].Electric Welding Machine, 2025, 55(10): 159-169. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.10.17.

摘要

为解决Ti6Al4V合金和022Cr17NiMo2不锈钢（AISI 316L SS）在扩散焊接过程中因元素扩散不足及脆性金属间化合物生成而导致接头强度偏低的问题。在真空条件下，采用Gleeble-3500热力模拟试验机对HCPEB处理前后的Ti6Al4V合金和316L SS之间进行扩散焊接。焊接温度范围为800~900 ℃，载荷为10 MPa，保温时间为40 min。采用SEM、EPMA、XRD及TEM等分析手段对接头界面元素分布和微观组织进行系统表征，并通过剪切强度测试和扩散动力学评估焊接性能。结果表明，HCPEB预处理后，Ti6Al4V合金和316L SS之间在900 °C时实现了良好的扩散结合。借助计算确定了Fe在Ti6Al4V合金截面中的扩散系数和扩散活化能，证明了Fe在HCPEB改性接头中表现出更高的扩散速率。在弥散强化和固溶体强化的作用下，改性接头在900 °C下的最大剪切强度为208 MPa。同时，微观结构分析表明HCPEB产生的大量晶体缺陷，包括空位、位错和晶界是焊头元素扩散改善的重要原因。该方法具有促进异种金属快速、高效扩散连接的潜力，可为钛合金与不锈钢复合结构在航空航天及核能领域的工程应用提供新思路和技术支撑。

Abstract

To address the issue of low joint strength caused by insufficient elemental diffusion and the formation of brittle intermetallic compounds during diffusion bonding between Ti6Al4V alloy and 022Cr17NiMo2 stainless steel (AISI 316L SS)

this study conducted diffusion bonding between Ti6Al4V alloy and 316L SS

both before and after HCPEB treatment

using a Gleeble-3500 thermal-mechanical simulator under vacuum conditions. The bonding temperature ranged from 800 to 900 ℃

with a load of 10 MPa and a holding time of 40 minutes. The interface element distribution and microstructure of the joint were systematically characterized using analytical techniques such as SEM

EPMA

XRD

and TEM. The welding performance was evaluated through shear strength testing and diffusion kinetics assessment. The results indicate that effective diffusion bonding between Ti6Al4V alloy and 316L SS was achieved at 900 ℃ after HCPEB pretreatment. Computational analysis determined the diffusion coefficient and activation energy of Fe in the Ti6Al4V alloy section

demonstrating that Fe exhibits a higher diffusion rate in the HCPEB-modified joint. Under the effects of dispersion strengthening and solid solution strengthening

the maximum shear strength of the modified joint at 900 ℃ reached 208 MPa. Meanwhile

microstructural analysis reveals that a significant number of crystal defects induced by HCPEB

including vacancies

dislocations

and grain boundaries

are crucial factors in enhancing the diffusion of welding elements. Consequently

this method holds the potential to facilitate rapid and efficient diffusion bonding of dissimilar metals

offering new insights and technical support for the engineering applications of titanium alloy and stainless-steel composite structures in the aerospace and nuclear energy sectors.

关键词

Keywords

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