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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）( 五 )

科学家 恒星 哈勃望远镜


▲图8 在不同温度下TiAl/Al0.85CoCrFeNi焊接接头的界面显微组织：(a) 750?°C; (b) 850?°C; (c) 950?°C; (d) 1050?°C 。 对HEAs不同焊接的研究主要集中在DB上 ， 其他焊接方法已应用于HEAs与其他金属的连接 。 由单个γ-FCC和AISI304不锈钢组成的Al0.1CoCrFeNiHEAs由GTAW连接 。 无明显缺陷的焊接接头的微观结构显示了柱状枝晶向等轴枝晶的转变过程 。 Al0.1CoCrFeNiHEAs与焊缝之间的面积显示了颗粒的外延生长 ， 这主要是由于BM与WM在化学成分和晶体结构上的匹配 。 AISI304与焊缝之间的面积显示出两种不同的颗粒生长机制（非外延生长和外延生长） 。 焊接过程中由于温度梯度的变化 ， 出现不对称焊接 ， 会影响晶粒的尺寸 。 由于Al0.1CoCrFeNiHEAs的单相特性 ， 在Al0.1CoCrFeNiHEAs附近的HAZ中很容易发生颗粒的转变 。 由于焊缝中柱状晶粒的变化和双子边界的消失 ， 焊缝的硬度低于BM的硬度 。 EW已成功应用于AlCoCrFeNiHEAs和Al-6061的连接 。 由于高速碰撞引起的反射波 ， HEAs的侧面有一些裂纹 。 如果传单和镀底座之间的距离很短 ， 则显示没有裂纹的焊缝的直接口 。 在AlCoCrFeNiHEAs和Al-6061之间产生了较薄的过渡层 ， 并产生了晶粒的细化和塑性变形 。 可以发现 ， HEA与其他金属不同焊接的主要方法是DB ， 金属夹层在HEA不同焊接中的应用较少 ， 有待进一步研究 。 2.3.2.金属夹层在金属不同焊接中的应用在不同金属焊接的焊接缝中 ， 不同金属之间的物理性质不同 ， 如热膨胀系数和熔点等 ， 其元素组成也不同 ， 这会导致焊接形状的不对称、IMCs的产生、成分的分离、形成残余应力和裂纹 。 不同基质之间的原子扩散通量不同 ， 可导致不同金属在扩散焊接过程中在界面附近形成Kirkendall空隙 。 此外 ， 如果不同金属的主要元素在液相中可以完全混溶 ， 且不存在脆性相 ， 则在超冷相的条件下 ， 亚稳态液相可以分离 。 在非heas金属的焊接中 ， 我们发现通过插入夹层可以消除或抑制脆性相 。 在制备Ti6Al4V/AISI 316 L的不同焊接中加入铜 ， 铜层可有效抑制脆性IMCs的形成 。 利用铜层间优化了Ti-6Al-4V和硝基醇激光焊接接头的性能 。 结果表明 ， 铜层可以降低脆性IMCs(Ti-Ni)和横向裂纹的产生 。 此外 ， 添加层间可以防止BM的密切接触 ， 减少焊缝中的比例 ， 从而抑制脆性IMCs和裂纹的形成 。 然而 ， 关于夹层在HEAs不同焊接中的应用的研究似乎较少 。 目前 ， 金属夹层已被用于MEAs和其他金属的焊接 。 将Ni层间应用于Co28.5Cr21.5Fe20Ni26Mo4MEAs和Inconel718的不同焊接中 ， 研究了粘接温度对焊接接头力学性能的影响 。 由于镍层间的加入 ， 在层间和衬底之间形成了大量的镍固体溶液 。 当粘合温度为950?C时 ， 界面层表现出良好的固体溶液增强效果 ， 得到了最佳的抗拉强度(1627.92MPa) 。 对MEAs和Inconel718与金属夹层的不同焊接的研究可以为HEAs的不同焊接提供参考 。 目前 ， 无金属夹层的HEAs焊接取得了一些不同的成就 。 为了进一步探索不同的不同焊接 ， 需要进行更多的工作 。 2.4.数值模拟在HEAs焊接中的应用需要评估在特殊环境中应用的材料或部件的性能 。 为了预测实验结果 ， 降低生产成本 ， 采用数值模拟方法分析了材料的微观结构和性能 。 数值模拟技术在金属焊接中得到了广泛的应用 。 有限元建模已应用于SW和点焊接接头的机械变形建模 。 Kong等人基于Gurson断裂模型对焊接接头的剪切拉伸进行了数值模拟 ， 并对焊接接头的应力分布进行了检测和模拟 。 金块的尺寸对焊接接头的强度有显著影响 。 基板的刚度和强度随着基板厚度的增加而显著增加 。 实验结果与仿真结果吻合 ， 表明在焊接中进行有限元建模是可行的 。 Geant?a等人采用四种不同的连接方法（爆炸焊接、焊接到轮廓、钎焊得到）制备了AlCrFeCoNi和碳钢板的焊接件 ， 并通过数值模拟分析了它们在高速载荷下的抗冲击性 。 结果表明 ， 焊接钎焊制备的复合结构具有良好的抗冲击性 。 通过数值模拟HEAs焊接可以很好地显示出温度场和应力场 。 此外 ， 应用该方法可以降低HEAs焊接的研究成本 。 对HEAs焊接的数值模拟有助于后续的HEAs焊接实验 ， 可以有效地探索HEAs焊接接头的反应过程和性能 。 3.HEAs在焊接中的其他应用3.1.通过焊接制备HEAs涂层在金属表面制备的涂层可以提高金属的耐腐蚀性和耐磨性 。 然而 ， 涂层材料难以适应长期磨损 。 高温材料具有优异的耐磨性 ， 可用作涂层材料 。 一般来说 ， 热相主要由面心立方相和/或体心立方相组成 。 具有高强度和硬度的体心立方相可用于维持涂层中的主载荷 。 通过软面心立方相可以提高涂层的韧性 ， 并能抑制裂纹的扩散 。 目前 ， HEAs涂层(HEAc)已被研究 ， 并通过焊接技术成功制备 。 Al0.8FeCrCoNiHEAc采用电阻焊缝制备 。 在焦耳加热效应的作用下 ， 将纳米晶HEA粉末转化为由面心立方和体心立方结构组成的均匀HEAc 。 涂层的耐磨性随着硬度的提高而提高 ， Al0.8FeCrCoNi HEAc在干燥条件下具有良好的耐磨性 。 采用不锈钢表面激光包层制备了Al2CrFeNiMox(x=0-2.0)HEAc ， 分析了Mo含量对涂层性能的影响 。 随着Mo含量的增加 ， 由BCC1和BCC2组成的Al2CrFeNiMoxHEAc表现出严重的晶格畸变 ， 导致HEAc的硬度增加 。 由于在激光包层中冷却速度较快 ， 可以抑制原子的扩散 ， 从而促进在涂层中产生轻微的成分分离 。 采用大气等离子喷涂技术制备了316不锈钢表面的AlCoCrFeNiTiHEAc ， 研究在25?C、500?C、700?C和900?C下涂层的磨损行为 。 涂层无垂直裂纹、间隙等明显缺陷 。 大气等离子喷涂很容易形成高温飞行粒子（硬氧化物） ， 从而形成晶格变形 ， 提高HEAc的硬度 。 HEAc的体积磨损率(0.77±0.01×10?4mm3N-1m-1)低于未涂涂层的材料 。 由于AlCoCrFeNiTiHEAs的高抗氧化性 ， 涂层在25?C和500?C下不氧化 。 因此 ， AlCoCrFeNiTiHEAs可以作为首选的涂层材料 ， 以抵抗磨损和高温造成的损伤 。 同样 ， 用大气等离子喷涂制备AlCoCrFeNi和MnCoCrFeNi粉末制备HEAc ， 层状复合结构的HEAc具有各向异性的力学性能 。 AlCoCrFeNiHEAc和MnCoCrFeNiHEAc的硬度分别为4.13±0.43和4.42±0.60GPa 。 采用等离子体喷涂在Mg基质上制备了AlCoCrCuFeNiHEAc ， 涂层中发现柱状树突和少量微孔 ， 柱状树突具有外延生长的特征 。 同时 ， 在固化层中没有发现明显的孔隙 ， 在最终凝固过程中容易发生柱状向等轴转变(CET) 。 但由于HEAs的动态扩散缓慢 ， 可能缺少柱状向等轴转变 。 如果在凝固过程中CET被抑制 ， 柱状晶体可以起主导作用 。 NixCo0.6Fe0.2CrySiAlTi0.2HEAc的制备方法时使用热喷雾技术 ， 然后将HEAc在1100?C下退火10小时 。 结果表明 ， 由于基质中存在大量的颗粒 ， 且HEAc具有沉淀相和Cr3Si的抗粗化能力 ， 因此具有良好的硬度(1045HV) 。 因此 ， 可以将性能优异的HEAs制备成HEAc ， 为基底表面提供有效的保护层 。 3.2.在焊接过程中用作填充物的密封件目前 ， 热填料在焊接中的应用引起了学者的关注 。 结构简单、性能优良的材料可用于金属焊接的填充材料 。 NiMnFeCoCuHEAs填料已成功应用于Inconel718的激光钎焊 ， 研究了不同激光功率(350、400、450和500W)对焊接接头组成和性能的影响 。 焊接接头在400W时最大剪切强度为220MPa ， 由于焊接温度高于HEAs的脂相位温度 ， 可以使钎焊材料处于液体状态 ， 实现原子结合良好的原子扩散 。 如果焊接温度较低 ， 钎焊材料熔化不足可能导致原子扩散不足 ， 焊缝较弱 。 随着激光功率的增加 ， 过高的钎焊温度会导致钎焊填料和BM之间原子的过度扩散 ， 并导致钎焊材料组成的变化 。 (CoCrFeNi)100-xCuxHEAs在LW实验中作为填充金属 ， 实现了TC4钛合金和304不锈钢的可靠焊接 。 填料随着铜含量的增加会增加流动性 ， 可能导致切割缺陷 ， 导致焊缝钢筋的差异 。 这种差异主要是由于焊接应力引起的对接间隙宽度的改变 。 当填料中铜含量为33.33%时 ， 焊接缝的抗拉强度上升到161MPa 。 随着铜含量的增加 ， 表层软富铜相增加 ， 降低了Ti/Cu过渡区的硬度 ， 消除了残余焊接应力 。 可以发现 ， 当使用HEAs作为填料时 ， 可以充分利用HEAs的独特特性 ， HEA中的元素会进入晶格 ， 有利于获得具有更好性能的焊接接头 。 通过对HEAs作为填充材料的研究 ， 发现HEAs独特的性能性能使材料获得更好的冶金连接 。 因此 ， HEAs有被用作金属焊接的填料的潜力 。 4.结论与展望本文综述了不同焊接技术下HEAs焊缝的微观结构演变以及焊接参数对焊接焊缝性能的影响 。 分析了DB和FSW对HEAs的焊接机理 ， 并介绍了HEAs对熔焊的焊接机理 。 讨论了焊缝中的宏观分离、凝固行为和相的形成 。 大量的HEAs焊接研究表明 ， 焊接参数的调整可以优化焊接接头的性能 。 为了进一步减少或消除焊缝中的缺陷 ， 应预先制定其他方法 。 研究人员发现 ， 通过热处理可以消除残余应力 ， 应用焊前和焊后热处理可以调节焊缝的微观结构 。 将金属中间层应用于不同的热离子合金焊接中 ， 可以有效避免缺陷和脆性imc的出现 。 今后 ， 数值模拟可用于预测高温合金焊接的实验结果 ， 如应力场模拟、变形模拟和热源模拟等 ， 有利于实验参数的优化 。 此外 ， 高温陶瓷具有优良的性能 ， 可作为涂层 ， 根据焊接方法提高材料的性能和寿命 。 HEAs填料在焊接中的应用也是一个新的研究方向 。 通过MD模拟研究了硅表面氧化的初始过程和二氧化硅/硅界面的原子结构 ， 热生长的氧化物膜可以重现 。 为模拟HEAs焊接界面氧化反应和原子结构提供参考 ， 包埋原子法在大量大块金属的弹性性能、缺陷形成能和断裂机理方面得到了广泛的研究 。 然而 ， 这种方法似乎并不适用于HEAs的焊接 。 此外 ， 还模拟了原子扩散中的Kirkendall效应 。 利用Kirkendall效应和Fick第二定律分析了原子的扩散和混合问题 。 利用元胞自动机模拟了空位的数量、扩散和聚集、空隙的成核半径、成核速率以及空隙的生长 。 因此 ， 基于MD模拟的原子扩散数值模拟在未来应广泛应用于热焊接的研究 。 此外 ， 还发现在HEAs焊接领域仍有许多方面需要探索 。 FSW、LW和EBW在HEAs和其他金属连接上的应用有待深入研究 。 HEAs在DB、LW和EBW中应用的层间似乎没有文献报道 。 关于HEAs焊缝的焊后热处理的研究较少 。 关于低温、高温高温焊接性能的变化 ， 需要进行相关研究 。 因此 ， 通过进一步研究HEAs焊接性能和HEAs在各种焊接领域的应用 ， 提高HEAs在工业工程中的应用价值 。

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