《Scripta Mater》：高熵合金与316不锈钢的异种激光焊接！

2022-03-24 16:13:30 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

高熵合金是一类较新的金属材料，具有显著的热物理性能，至少包含四种主要元素。由于这些在合金设计和开发方面的转变，这些合金所表现出的显著特征使它们成为工程领域结构部件的潜在候选材料。考虑到高熵合金的非常规性质，对可加工性的研究非常重要，因为良好或较差的加工性能可以支持或阻碍这些材料在功能和/或结构领域中的应用。工业上最常用的制造工艺之一是焊接，在熔焊过程中发现非平衡凝固条件可以促进亚稳态和/或有害相的形成，这取决于所加工的材料。CoCrFeMnNi合金具有良好的可焊性，对高熵合金异种焊接的研究很少，在异种熔焊过程中，两种基材的混合可能促进有害相的形成，这取决于熔合区成分和热循环结果，因此了解焊接对异种焊接接头组织演变的影响是优化其性能、防止缺陷产生或不良相形成的关键。

葡萄牙新里斯本大学的研究人员进一步扩展了目前关于高熵合金异种焊接的技术，通过激光焊接将CoCrFeMnNi高熵合金轧制板与316不锈钢连接，对焊缝热循环引起的组织演变及其对接头性能的影响进行了全面评估。相关论文以题为“Dissimilar laser welding of a CoCrFeMnNi high entropy alloy to 316 stainless steel”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114219

本文以冷轧等原子CoCrFeMnNi高熵合金薄板和316不锈钢为基体材料。CoCrFeMnNi在室温下轧制减薄50%后得到1.5mm厚板材。316不锈钢的厚度为1.6 mm，先热轧后冷轧得到。CoCrFeMnNi合金基体材料由宽度约为2μm的片状晶粒组成，而不锈钢基材由平均晶粒尺寸为8 μm的近等轴晶粒组成。

研究发现复合材料熔合区宽度的减小阻止了更明显的晶粒长大。这种效应与电弧焊接过程中观察到的相反，在电弧焊接过程中，熔合区宽度明显更大，从而允许更大的晶粒形成。需要注意的是，在316不锈钢的热影响区，观察到细小的晶粒细化。轧制态CoCrFeMnNi高熵合金具有高硬度（＞350HV）；而316不锈钢的显微硬度（175HV）较低。然而，当接近热影响区和熔合区时，会出现剧烈的变化。在高熵合金的热影响区，硬度略有增加，达到375 HV。这是由于焊接热循环引起的再结晶效应，导致该区域强度增加。

图1 接头处、316不锈钢侧和CoCrFeMnNi侧热影响区/熔合区显微组织图、EBSD图和元素分布图

图2 CoCrFeMnNi基材、316不锈钢基材和熔合区的XRD结果

图3 CoCrFeMnNi基材、316不锈钢基材和熔合区平均成分的Scheil计算

图4 焊接接头的显微硬度图以及不同接头顶部和底部的显微硬度曲线

综上所述，熔合区显微组织由单一FCC结构组成。本文观察到铸态基体材料的硬度有所增加，这可能是由于两种基体材料的混合和316不锈钢中碳的掺入导致了固溶强化。此外，该区域出现大尺寸柱状晶粒，最终影响接头的力学性能。焊接接头的抗拉强度约为450 MPa，延伸率约为5%，显示了这两种不同类型的激光焊接接头在结构上的潜在应用。本研究有益于理解和合理解释焊缝热循环对接头性能以及微观组织演变的影响。

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