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《Scripta Materialia》高熵合金和不锈钢的异种焊接!

来源:材料科学与工程微信公众号|

发表时间:2021-09-10

点击:3392

近些年,高熵合金因其独特的热力学性能,使其成为各种工程结构部件的潜在候选者。焊接作为结构应用中的关键制造工艺,可从简单的整体部件中创造出形状复杂的结构,也可用于连接具有不同性能的材料。


目前,对CrMnFeCoNi高熵合金的可焊性研究大多局限于同种材料焊接,对异种材料的焊接性研究尚不多见。然而,两种基材的混合会促进有害相的形成。因此,了解焊接热循环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。而关于CoCrFeMnNi高熵合金的异种金属焊接鲜有报道。


近期,Universidade NOVA de Lisboa大学J.P. Oliveira教授团队成功地获得了无缺陷及完全焊透的异种接头,实现了轧制态CoCrFeMnNi 高熵合金与316双相不锈钢的异种激光焊接研究。采用电子显微镜、高能同步辐射 x 射线衍射、力学性能评定和热力学计算等方法,对焊接接头的组织演变进行了评定和合理化分析,进一步扩展了高熵合金异种焊接的研究现状。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



在该工作中,高熵合金室温轧制50%至1.5mm。316不锈钢在1050℃时由10mm轧制至3mm,再冷轧至1.6mm,随后在1050℃保温1min后进行水冷淬火处理。将两种材料加工成30*30mm2的板材,使用Miyachi Unitek LW50A pulsed Nd:YAG脉冲激光系统进行焊接,峰值脉冲为2.25KW,持续时间10ms,总能量17.9J。


通过SEM/EBSD图像(如图1a), 在接头的不同部位可以清楚的观察到明显的组织特征。靠近高熵合金一侧的热影响区相对较薄,并且由于热循环促进变形组织中形成大量细小再结晶晶粒。在熔合区,形成了较大的柱状晶,且晶粒无明显的择优晶粒取向。通过同步辐射及基于热力学计算中的 Scheil 模型,对熔合区的非平衡凝固过程进行了热力学计算,得出CoCrFeMnNi(单一FCC相)和316不锈钢(FCC+少量BCC)焊接的熔合区同样为单一的FCC相。


由于起始母材条件/焊接热循环对热影响区和熔合区的影响,焊接接头会产生不同的微观结构和局部机械性能,因此会发生不均匀变形。尽管在强度和延展性方面不如母材,但该焊接接头的抗拉强度也达到了450MPa,断裂应变约为5%,断裂失效均发生在熔合区。大部分变形由316不锈钢母材和熔合区承受,冷轧高熵合金和焊缝的其他区域相比承受非常小的变形。


图1异种焊接的横截面组织


图2 两种母材和异种焊接熔合区的同步辐射衍射图


图3 两种母材和熔合区的scheil计算


图4 整个焊接接头的显微硬度分布图


图5 两种母材和焊接接头的拉伸应力应变曲线


封面图源自于图虫创意

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