CoCrFeMnNi高熵合...TIG焊接头组织与性能对比_徐凡.pdf

Electric Welding MachineVol.53 No.1Jan.2023第 53 卷 第 1 期2023 年1 月CoCrFeMnNi高熵合金激光焊与TIG焊接头组织与性能对比徐凡，田松亚，张根元，季珊林，孙华琛河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022摘要：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。关键词：高熵合金；激光焊；钨极氩弧焊；显微组织；力学性能中图分类号：TG457.1 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）01-0071-06Comparison on the Microstructure and Mechanical Properties of CoCrFeMnNi High-entropy Alloys welded Joints by Laser Welding and Gas Tungsten Arc WeldingXU Fan,TIAN Songya,ZHANG Genyuan,JI Shanlin,SUN HuachenCollege of Mechanical and Electronic Engineering,Hohai University,Changzhou 213022,ChinaAbstract: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.Keywords:high-entropy alloys;laser beam welding;gas tungsten arc welding;microstructure;mechanical property引用格式：徐凡，田松亚，张根元，等.CoCrFeMnNi高熵合金激光焊与TIG焊接头组织与性能对比 J.电焊机，2023，53（1）：71-76,99.Citation:XU Fan,TIAN Songya,ZHANG Genyuan,et al.Comparison on the Microstructure and Mechanical Properties of CoCrFeMnNi High-entropy Alloys welded Joints by Laser Welding and Gas Tungsten Arc WeldingJ.Electric Welding Machine,2023,53(1):71-76,99.0前言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1-2。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2，3-5。且这种简单的显*收稿日期：2022-02-23修回日期：2022-10-11作者简介：徐凡（1999），女，在读研究生，主要从事焊接材料与工艺的研究。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.01.112023 年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。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7-9，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。Sokkalingam10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。Wu11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。Nam12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。1试验材料与方法试验母材为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 mm18 mm2 mm的试板，并在800 进行退火。合金的化学成分见表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 mm2 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。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。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 228.12021 金属材料 拉伸试验 设计拉伸试样，表2焊接工艺参数Table 2Welding parameters焊接方法激光焊TIG焊功率/W1 050焊接电流/A70焊接速度/（mm s-1）51.8送丝速度/（mm s-1）3.6振镜宽度/mm2离焦量/mm0保护气体99.9%氩气99.9%氩气气体流量/（L min-1）237表1CoCrFeMnNi高熵合金的化学成分（质量分数，%）Table 1Main chemical composition of CoCrFeMnNi alloy（wt.%）Co21.61Cr19.18Fe20.81Mn19.17Ni19.2372第 1 期徐凡，等：CoCrFeMnNi 高熵合金激光焊与 TIG 焊接头组织与性能对比拉伸试样尺寸如图1所示，使用JSM-6360LA型扫描电镜观察拉伸断口形貌。图1拉伸试样尺寸（mm）Fig.1Size of the tensile specimen（mm）2试验结果与分析2.1显微组织CoCrFeMnNi高熵合金母材的金相组织如图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。（a）铸态组织（b）锻态组织图2母材金相组织Fig.2Microstructure of the base metal激光焊接头显微组织如图3所示。由图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2.43.6 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。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所示。因固液界面的法线方向的温度梯度最大，散（a）焊缝宏观形貌（b）母材热影响区熔合区（c）胞状树枝晶（d）树枝晶-等轴晶图3激光焊接头金相组织Fig.3Microstructure of the LBW joint732023 年热最快，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）。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所示。TIG焊接头显微组织如图4所示。由图4a可知，焊缝成形良好，无裂纹、气孔等缺陷产生，焊缝宽度为4.85.4 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