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科学家 高熵合金焊接方法和焊接机理的研究与综述（2）( 二 )

科学家 恒星 哈勃望远镜


▲图3 在采用熔化焊接HEAs的时候WZ的形成过程： (a)界面的接触  ; (b) 原子扩散和基材中的相开始孕育; (c)基材相的生长; (d) 基材相的形成 ， 二次相和其他相的形成当TLW<TL1时 ， 机制1如图4所示 。 图4a为铜铁二元相图 ， 图4b为焊接工艺的平面视图 。 当散装焊池(BWP)的组成与骨髓不同时 ， 在BM的液相温度下 ， 池的边界是非等温的 。 如图4c所示 。 BWP的凝固前和未混合液体金属1层分别在TLW和TL1 。 当这一层不受对流的干扰时 ， 它会在TL1处固化为BM1的平台 。 与较高的温度相比 ， 较低的温度等温线位于热源的后面 。 由于TLW小于TL1 ， BWP的凝固前部将向后移到后等温线TL1 。 如图4c所示 ， 凝固前BWP区域的温度低于TL1 。 因此 ， 在LM1与周围液体发生显著混合之前 ， 液体金属(LM) 1 会迅速凝固 ， 如图4d所示 。 由于两种液体的紧密接触 ， 两种液体之间很容易传热 ， 因此LM1可以立即固化 ， 可以形成半岛或金属1的岛 。
▲图4 在条件为TLW < TL1的时候 ， 异种金属的焊接时所存在的宏观分离：(a) Cu-Fe 相图; (b) 焊接熔池的俯视图和它的周围； (c) 形成海滩的样式; (d) 形成半岛、岛和沙滩流体流动不需要完全在水平面上才能形成半岛 ， 它需要倒流（与焊接方向相反）的流体流动来将LM1输送到凝固前面的整体焊池的较冷区域 。 当TLW>TL2时 ， 机理2如图所示 。 图5a为铜铁二元相图 ， 图5b显示了焊接工艺的平面视图 。 FZ和BM的组成不同 ， 因此FZ和BM边界处的液相体温度不等温 ， 如图5c所示 。 BWP和未混合的LM2层分别在TLW和TL2处开始凝固 。 然而 ， 当过冷时 ， 即使温度低于TLW ， BWP也会发生凝固 。 当这一层不受对流的干扰时 ， 它将固化为BM2的平台 ， 如图5d所示 。 图6中解释了对流对宏观分离的影响 。 未混合LM2层的温度低于BWP开始凝固的温度 。 因此 ， BWP中的液体将通过对流推到这一层 ， 由于大块焊缝金属的侵入而可以快速凝固 。 当未混合的LM2层被入侵时 ， 一些LM2可以留在该层中 ， 而一些LM2可以被推到BWP中 。 随后 ， 残留在该层中的未混合的LM2可以开始冻结 ， 成为一个不规则形状的金属2的平面 。 由于LM2的温度高于其TL2 ， LM2不能立即凝固 。 因此 ， 它可以与BWP混合 ， 在不规则的未混合金属2的平台周围形成部分混合的金属2 。 它也可以被带到BWP中 ， 形成部分混合的金属2的岛 。 当TLW远远超过TL2时 ， 可能形成一个未混合金属2的厚平面、一层部分混合金属2以及部分混合金属的大岛2 。 与II引起的形状不规则的平台相比 ， I引起的半岛在焊接中更难发生 。 因为任何流体向焊接池边界流都可以形成不规则形状的平台 。
▲图5 在条件为TLW > TL2 的时候进行异种金属材料焊接的宏观分离： (a) Cu-Fe 相图; (b)焊接熔池的俯视图及其周边； (c)平滑的沙滩形态的形成; (d) 不规则形状沙滩的形成
▲图6 上图：Cu-钢进行弧焊焊接接头的横向宏观形貌：   (a) 整体结构; (b) 在Cu侧的熔化边界（使用箭头进行展示）和Cu沙滩的不规则形状; (c)钢的半岛及其周围的显微结构 。 中部图：CU-钢弧焊焊接接头的显微组织：(a) 在熔化区域的微观金相组织 ; (b)–(f) SEM 照片.下部图：在一种金属焊接的时候分离特征的总结揭示在弧焊焊接Cu（金属2）与钢（金属1）: (a)  在条件为TLW < TL1 的时候半岛的形成以及在条件为 TLW > TL2的时候形成的不规则的沙滩；(b)层状焊接金属结构的形成 。 1.4.2.栅格凝固在HEAs熔焊中 ， FZ的微观结构受焊缝固化行为的影响 。 凝固行为对颗粒的元素分离、形状和大小都有影响 。 在熔焊中 ， 晶粒的外延生长是常见的 。 对于最初形成的外延取向固体 ， 它们的晶粒生长受到热梯度和晶体学效应的强烈控制 。 FZ中固体的初始外延生长发生在熔变线处部分熔化的晶粒上 。 一般情况下 ， 晶粒的生长往往呈垂直于固/液界面的方向生长 。 因为这是最大G的方向 ， 所以有一个凝固的最大驱动力 。 此外 ， 颗粒的生长可以在首选的生长方向上发生 。 例如<100>是面心立方和体心立方材料的首选生长方向 。 因此 ， 当颗粒生长的首选方向与最大G的方向平行时 ， 它们将更容易生长 。 当金属开始凝固时 ， 固化结构的形态由温度的G/R比值控制梯度(G)和凝固速率(R) 。 在LW和EBW等焊接方法中 ， 微观结构的凝固是小R大G的过程 。 在FZ边界R变小 ， G增大 ， G开始减少 ， R从熔变边界到焊接中心逐渐增加 。 公式（14）可用于判断颗粒的凝固模式 。 在FZ中 ， 我们发现从融合线到中心线 ， 晶粒的凝固模式可能从平面状转向细胞状、柱状状和等轴树突状 。 Zoeram等人在Ti-6Al-4V和硝基醇的LW中也发现了类似的现象 ， 在颗粒凝固过程中 ， 细胞的形状从融合线向硝基醇侧转变为柱状树枝状 。 在焊缝中心线附近的等效树突成核和生长 。 当李等人采用Inconel52M填充线进行多通LW ， 发现FZ中晶粒的凝固模式由细胞转向柱状树晶 。 高冷却速率可以抑制原子的扩散 ， 随着焊接热输入的增加 ， FZ中的DAS变宽 。 此外 ， DAS也与G和R相关 。 (G/R)CL<< (G/R)FL(14)λ=k1 (GR)? n(15)其中G为温度梯度 ， R为凝固速率 ， FL表示融合线 ， CL表示中心线 ， λ为DAS ， k1为常数 ， G×R表示冷却速率 。 根据公式（15）、FZ的DAS由冷却速率控制 。 在焊接过程中 ， DAS随着冷却速率的增加而逐渐降低 。 且冷却速率随焊接热输入的增加而降低 。 当焊接热输入量较高时 ， 将会出现二级树突或三级树突 。 目前 ， 关于高温合金焊接中颗粒固化的相关研究较少 ， 本文应有较多的贡献 。 1.5.高温合金焊缝中相的形成及稳定性与传统的工程金属相比 ， HEAs熔焊最重要的特征是熔池中相的形成和稳定性的不确定性 。 影响熔池的元素组成 ， 如元素蒸发和元素分离 。 因此 ， 由于元素成分的改变 ， 熔池中的相组成可能与基金属有很大的不同 ， 相的分布可能不均匀 ， 从而导致熔池材料的性质变化 。 特别是 ， 由于元素组成的变化 ， 也会影响相的稳定性 。 因此 ， 在进行HEAs的熔焊时 ， 我们需要考虑这些相关问题 ， 并需要优化相关的焊接工艺 ， 以削弱这种不利影响 。 关于HEAs焊缝中相的形成和稳定性 ， 可以使用一些有用的经验公式来预测HEAs的制备 。 以往的研究发现 ， 当公式（16）计算的多合金构型熵(ΔSmix)低于1R时 ， 合金为低熵合金 。 当ΔSmix在1R~1.61R之间时 ， 合金为中熵合金(MEAs) 。 当ΔSmix高于1.61R时(R为气体常数 ， 为8.314Jmol?1K?1) 。 合金的ΔSmix表示元素的混淆程度 。 ΔSmix值越高 ， 说明不同原子在合金中分布更随机 ， 固体溶液更容易形成 ， 这有助于降低合金中原子的分离度和有序度 。 因此 ， WZ中固态溶液相的形成可以通过ΔSmix来估计 ， 如公式（16）所示 。

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