CoCrFeMnNi高熵合金激光焊与TIG焊接头组织与性能对比

CoCrFeMnNi高熵合金激光焊与TIG焊接头组织与性能对比 Comparison on the Microstructure and Mechanical Properties of CoCrFeMnNi High-entropy Alloys welded Joints by Laser Welding and Gas Tungsten Arc Welding first-author 徐　凡（1999—），女，在读研究生，主要从事焊接材料与工艺的研究。 徐　凡（1999—），女，在读研究生，主要从事焊接材料与工艺的研究。 河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022 河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022 College of Mechanical and Electronic Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, China College of Mechanical and Electronic Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, China 为探究高熵合金作为结构材料应用的适用性，采用激光焊与TIG焊对板厚2 mm的CoCrFeMnNi高熵合金进行连接，并对母材及两种焊接接头进行组织观察、显微硬度测试和拉伸性能测试。结果表明，激光焊与TIG焊焊缝晶粒形态基本一致，都是由垂直于熔合线方向生长的胞状树枝晶和焊缝中心处的等轴晶组成，但激光焊焊缝区晶粒较细；母材的强度与塑性最好，激光焊焊接接头次之，氩弧焊焊接接头最低，而两种焊接工艺得到的焊缝以及母材的显微硬度则恰好相反。 To explore the applicability of high entropy alloys as structural materials, the CoCrFeMnNi high-entropy alloys sheet samples with the thickness of 2 mm were welded by laser beam welding and gas tungsten arc welding, respectively. And the microstructure observation, hardness test and tensile property test were carried out on the welded joints.. The results show that the grain morphology transformation of the weld zone by laser beam welding and gas tungsten arc welding is basically the same in the solidification process, which is composed of cellular dendrites perpendicular to the fusion line and equiaxed crystals in the middle of the weld. But the grain of laser beam welding specimens is finer. The hardness of the weld obtained by the two welding processes is both higher, but the strength and ductility of the welded joint are slightly lower than that of the base metal. This study has certain reference significance for the application of high entropy alloys in the future. 高熵合金 激光焊 钨极氩弧焊 显微组织 力学性能 high-entropy alloys laser beam welding gas tungsten arc welding microstructure mechanical property 前言 1 2004年，台湾清华大学的叶均蔚教授提出高熵合金（HEAs）的概念，定义其为由五种及五种以上元素以等原子比或近等原子比组成的合金 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ 。研究表明此类合金中高的混合熵可以有效降低系统的自由能，有利于形成具有简单结构的固溶体相，并且阻止金属间化合物的生成 ［ 2 2 ， 3 3 - 5 5 3-5 ］ 。且这种简单的显微结构通常可以使材料具有显著的特点，如高强度、高延展性以及良好的耐磨性和耐腐蚀性等。 CoCrFeMnNi高熵合金是一种具有面心立方结构的单相固溶体，具有良好的力学性能，特别是在低温条件下，当温度从室温降至液氮温度时，其强度和塑性同时提高，且具有非常高的断裂韧性。这种优异的力学性能归因于从室温时的位错滑移机制向低温时的纳米孪晶机制转变，从而产生连续稳定的应变硬化 ［ 6 6 ］ 。而传统材料随着温度降低会经历韧性向脆性的转变，即使是常用的深冷钢，如奥氏体不锈钢、9Ni钢 ［ 7 7 - 9 9 7-9 ］ ，在低温下塑性也略有下降。因此CoCrFeMnNi高熵合金适用于制造在极端环境下工作的零部件。 国内外很多学者开展了高熵合金焊接相关的研究。Sokkalingam ［ 10 10 ］ 等人采用TIG焊连接2.5 mm厚的Al0.5CoCrFeNi高熵合金板材，焊缝的屈服强度和抗拉强度都低于母材，在热影响区附近的焊缝组织为树枝晶，焊缝中心区域为细小的等轴晶。Wu ［ 11 11 ］ 等人采用TIG焊焊接1.6 mm厚的CoCrFeMnNi板材，焊缝的屈服强度略高于母材，抗拉强度仅为母材的80%，塑性仅为母材的50%，焊缝主要由粗大的树枝晶组成。Nam ［ 12 12 ］ 等人采用不同焊接速度对铸态与轧制态的CoCrFeMnNi合金进行激光焊，铸态HEAs焊缝的拉伸性能与母材接近，所有拉伸试样的断裂均发生在热影响区和母材上；轧制HEAs焊缝的抗拉强度比母材低，断裂均发生在焊缝上，这是因为焊缝的树枝晶尺寸大于母材晶粒。吴小盼 ［ 13 13 ］ 采用脉冲激光焊焊接CuCoCrFeNi高熵合金，各种工艺条件下都存在热裂纹，连续光纤激光焊接时部分接头仍出现焊接裂纹，原因是低熔点铜的富集。以上研究表明，采用TIG焊或激光焊焊接高熵合金，焊缝强度和塑性都可能下降且易形成裂纹，因此需要进一步研究其组织形成机理和接头力学性能规律。 本文分别采用激光焊和TIG焊对CoCrFeMnNi合金薄板进行对接焊，观察并测试两种焊接接头的微观组织和力学性能，研究接头组织与性能的关系、拉伸断裂的机理及影响因素，为高熵合金构件的焊接提供参考。 试验材料与方法 1 试验母材为CoCrFeMnNi高熵合金，经铸造成形，在1 000 °C均匀化处理24 h后冷轧，通过线切割得到尺寸40 mm×18 mm×2 mm的试板，并在800 ℃进行退火。合金的化学成分见 表1 表1 。由于目前没有成熟的高熵合金焊丝，将CoCrFeMnNi高熵合金板材线切割成尺寸2 mm×2 mm的棒材，在700 °C下保温5 min进行反复锻打，最终得到直径约1.2 mm的焊丝。焊前用砂纸打磨板材与焊丝表面，去除氧化膜，并用超声波清洗焊材表面。 Co Cr Fe Mn Ni 21.61 19.18 20.81 19.17 19.23 分别使用AVD-360型双重逆变交直流两用脉冲TIG焊机和HLW-F1500型手持式光纤激光焊接机沿垂直于轧制方向进行对接焊。TIG焊采用直流正接，两种焊接方法的具体工艺参数见 表2 表2 。 焊接方法 功率/W 焊接电流/A 焊接速度/（mm·s -1 ） 送丝速度/（mm·s -1 ） 振镜宽度/mm 离焦量/mm 保护气体 气体流量/（L·min -1 ） 激光焊 1 050 — 5 — 2 0 99.9%氩气 23 TIG焊 — 70 1.8 3.6 — — 99.9%氩气 7 焊后沿垂直于焊缝方向对试样进行线切割，制备金相试样，并在打磨抛光后进行腐蚀。采用10%的草酸水溶液电解腐蚀，电解电压为6 V，试样接电源正极，辅助电极接负极，腐蚀时间15 s。使用DYJ-201C型倒置金相显微镜观察显微组织；采用HXD-1000TMC型维氏硬度计测试显微硬度，试验力为200 gf，保压时间15 s，试验时按照母材—焊缝—母材顺序进行测量，测试点间隔0.3 mm；拉伸试验在SHIMADZU AG-X型万能试验机上进行，根据GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验》设计拉伸试样，拉伸试样尺寸如 图1 图1 所示，使用JSM-6360LA型扫描电镜观察拉伸断口形貌。 试验结果与分析 1 显微组织 2 CoCrFeMnNi高熵合金母材的金相组织如 图2 图2 所示，铸态组织中粗大的树枝晶在经过一系列的锻打与热处理后已完全分解，形成均匀的等轴晶组织，且晶粒内部存在许多退火孪晶。 1;2; 激光焊接头显微组织如 图3 图3 所示。由 图3a 图3a 可知，接头成形较好，无裂纹、气孔等缺陷。焊接过程中使用振镜功能使得焊缝较宽，为2.4~3.6 mm。由于激光焊接热输入较小，能量集中，母材受焊接热循环作用较小，因此热影响区较窄，宽度约0.1 mm。 1;2;3;4; 在熔焊过程中，初始凝固通常发生在熔合区，熔化的焊缝金属在半熔化的基体金属晶粒表面直接形核，从靠近熔合线的母材上联生结晶，如 图3b 图3b 所示。因固液界面的法线方向的温度梯度最大，散热最快，所以晶体中的柱状晶总是倾向于沿着垂直于熔合线方向生长。然而，晶粒也存在自己的易生长方向。因此，在熔池凝固过程中晶体存在“竞争生长”现象，最易生长方向与最大温度梯度方向一致的晶粒会优先长大，一直成长到焊缝中心，形成粗大的柱状晶。而对于易生长方向与最大散热方向不一致的晶粒，生长速度较慢，在成长过程中受到阻碍，最终停止成长（见 图3c） 图3c） 。随着凝固的继续进行，由于焊缝中心处过冷度非常大，晶体以等轴晶形式生长。柱状晶与等轴晶之间存在明显界限，如 图3d 图3d 所示。 TIG焊接头显微组织如 图4 图4 所示。由 图4a 图4a 可知，焊缝成形良好，无裂纹、气孔等缺陷产生，焊缝宽度为4.8~5.4 mm。焊接接头的热影响区宽度约为0.6 mm，组织较母材无太大变化，但晶粒出现一定粗化，如 图4b 图4b 所示。熔池凝固过程中晶体的形核与长大以及在熔池不同位置的结晶形态与激光焊基本一致，液态金属依附在半熔化的母材晶粒上形核，以柱状晶形态沿垂直于固液界面方向向焊缝中心处生长，到焊缝中心处转变为等轴枝晶。 1,2;3,4; 总体上看，与TIG焊接头相比，激光焊接头的焊缝宽度较窄，且焊缝区晶粒尺寸较细。这是由于激光焊的能量密度高，焊接区域窄，同时激光焊焊缝的凝固速率高于TIG焊 ［ 14 14 - 15 15 14-15 ］ 。 拉伸试验 2 将CoCrFeMnNi高熵合金母材以及两种焊接方法得到的焊接接头进行拉伸，激光焊与TIG焊接头的断裂均发生在焊缝处。母材和两种焊接接头的拉伸应力-应变曲线所 图5 图5 所示，力学性能如 表2 表2 所示。由 表2 表2 可知，与母材相比，激光焊接头的抗拉强度、延伸率和断面收缩率分别下降了9.2%、12.1%和14%，TIG焊接头的抗拉强度、延伸率和断面收缩率分别下降了12.2%、17.2%和4%。结合 图5 图5 可知，总体上激光焊接头的强度和塑性均好于TIG焊接头。 与TIG焊相比，激光焊的热输入量较低，冷却速度更快，而较高的冷却速度使激光焊焊缝区具有较大的过冷度，导致原子扩散距离的缩短以及成核率的增加，因此激光焊焊缝的晶粒长大倾向小于TIG焊。根据Hall-petch公式，材料内部晶粒越细，其强度越高，单位体积内晶粒数量越多，金属总的变形量可以分散到更多晶粒上，使晶粒变形更加均匀，不易出现裂纹。因此晶粒越细，材料的塑性也越好 ［ 8 8 ］ 。CoCrFeMnNi高熵合金的激光焊和TIG焊焊缝组织都有细长的胞状树枝晶，晶粒尺寸远大于母材的等轴晶组织，因此焊接接头的强度与塑性均低于母材；同样，激光焊焊缝晶粒尺寸比TIG焊的更加细小，所以激光焊接头强度和塑性也略高于TIG焊接头。 试样 抗拉强度/MPa 延伸率/% 断面收缩率/% 母材 532 58 50 激光焊 483 51 43 TIG焊 467 48 48 采用扫描电镜观察母材及两种焊接接头的拉伸断口形貌，如 图6 图6 所示。可以看出，母材和焊接接头的拉伸断口中均存在大量韧窝，是典型的塑性断裂形貌。当拉伸载荷的应力超过材料的屈服强度时，材料开始出现塑性变形，载荷继续增大，应力达到材料的抗拉强度时，试样局部区域会出现颈缩现象，同时试样颈缩部分中心的应力状态从单向变成三向，且中心的轴向应力最大。在三向应力作用下，试样中的夹杂物破裂或与基体界面脱离形成微孔。随着塑性变形的进行微孔长大，最终聚合形成裂纹，导致断口表面由许多微米尺寸的“等轴韧窝”组成。激光焊和TIG焊焊缝韧窝平均尺寸均大于母材，且TIG焊韧窝的平均尺寸大于激光焊。韧窝大小的差异与试验得到的塑性差异一致。 1;2;3; 虽然细化晶粒、固溶强化、应变强化、第二相强化（沉淀、弥散）能提高各相强度，但焊缝整体的抗拉强度取决于焊缝组织本身的抗拉性能和界面（晶界、相界或组织区域界）抗拉强度中的最小值。由于激光焊焊缝比TIG焊焊缝冷却快，结晶过程中合金元素扩散速率小，晶界偏析小，故晶界结合强度高，如 图7 图7 所示。而TIG焊的焊缝冷却较慢，液态金属中合金元素充分扩散，在树枝晶内以及晶间出现元素偏析，Mn、Ni富集在晶界上，Co、Cr、Fe则富集在树枝晶内部 ［16］ ，其中以Mn的偏析最为明显。所以激光焊焊缝的抗拉强度高，而TIG焊焊缝的抗拉强度稍低。 1,2; 硬度试验 2 激光焊与TIG焊接头显微硬度分布曲线如 图8 图8 所示。可以看出，两种焊接接头焊缝的硬度都略高于母材（平均硬度为146 HV）。激光焊焊缝区域平均硬度170 HV，与母材硬度相差较小；而TIG焊焊缝区域平均硬度为212 HV，高于激光焊焊缝，且熔合区附近的焊缝硬度基本与母材相同，靠近焊缝中心处的硬度较高。 组织硬度的影响因素除细晶强化外，还有第二相粒子的强化，而第二相强化效果取决于粒子的大小与间距，粒子越小，数量越多，分布越弥散，间距越小，强化作用越大。通过对比 图3 图3 、 图4 图4 发现，虽然激光焊焊缝晶粒尺寸（约0.5 μm）小于TIG焊的（约1.3 μm），但TIG焊焊缝晶粒中的第二相粒子更多且间距更小，所以尽管TIG焊焊缝的晶粒尺寸较大，但其硬度较激光焊焊缝的更高。 结论 1 （1）采用激光焊与TIG焊焊接CoCrFeMnNi高熵合金薄板，均可得到成形良好，无裂纹、气孔等焊接缺陷的焊接接头。两种焊接工艺的焊缝组织基本一致，都是由垂直于熔合线方向的胞状树枝晶与焊缝中心处的等轴晶组成，但TIG焊焊缝晶粒尺寸大于激光焊焊缝。 （2）两种焊接工艺得到的焊接接头拉伸试样断裂位置均在焊缝区，但激光焊焊接接头的抗拉强度和塑性更高，两种焊接接头的抗拉强度和塑性均低于母材。三种试样拉伸得到的断口均存在大量韧窝，均为塑性断裂。 （3）两种焊接工艺得到的焊接接头焊缝区域硬度均高于母材硬度，而TIG焊焊缝区域平均硬度为212 HV，高于激光焊焊缝（平均170 HV）。 参考文献 Yeh J W . 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