氩弧焊接方法制备FeCoNiCrAl 高熵合金焊接接头的组织和力学性能研究

李晓鹏，周 龙，贺涛江，程锌谋，王庆梅，张英哲

(贵州理工学院材料与能源工程学院，贵州 贵阳 550003)

0 引言

相比于纯金属，合金的应用在结构件材料中更加广泛[1]。 元素的组成会严重影响所制备合金的性能，因此在生产制造过程中，通过调控某些元素的含量，使合金具备卓越的物理和化学方面性能，从而使其达到相应的使用需求。 但是，随着对材料相关性能要求的不断提高，通过某种元素的含量来改变材料的性能变得越来越困难，使得传统方法制备的材料的性能很难再有质的提升。 想要突破瓶颈，改变以前合金制备思想就势在必行。 突破以单一元素为主导的传统合金设计理念，可能是未来材料发展的一种方向。 高熵合金(High entropy alloy，HEA)是由台湾学者叶筠蔚及其研究团队在1995 年首次提出的[2]，这种合金被定义为含有多种组元，其组元数目≥5，并且每个组元的原子百分比在5%到35%之间。 按照等原子比或接近等原子的物料组成，采用合适的熔炼方法，从而使多组分元素形成固溶体。 由于高熵效应，高熵合金中的物相相对较为简单，以往的研究表明，高熵合金的物相组成多为简单的面心立方或体心立方结构[3－4]。 在高熵合金中，多种组元的混合易造成严重的晶格畸变，会阻碍扩散作用[5－6]，从而促进合金中纳米颗粒的析出。 复合效应使合金中不同元素的相互作用对合金的性能产生了交互影响[7]，影响了合金的力学、物理和化学性能，使得合金具有较高的熔点、硬度、耐腐蚀能力、热稳定性以及高温抗氧化能力等[8－9]。

1 实验

1.1 高熵合金粉末的制备

使用纯度为99.5%、直径为20～40 μm 的Fe，纯度为99.9%、直径为1～3 μm 的Co，纯度为99.9%、直径为20～40 μm 的Ni，纯度为99.9%、直径为20～40 μm 的Cr 和纯度为99.9%、直径为20～40 μm 的Al 五种金属单质粉末。 以这五种粉末按照等物质的量称量。 将上述五种粉末和石英玻璃球一起放入自制的高频球磨设备，使用酒精作为分散系，同时避免原料粉末被氧化。 球磨工艺参数如表1 所示。 本实验根据以前实验结论选取相关组分元素。 通过高频球磨和氩弧烧结制备FeCoNiCrAl高嫡合金，以及以高熵合金为熔覆金属的焊接接头， 高熵合金粉末高频球磨转速为300 r/min；球料比为20 ∶1，球磨时间为72 h。

表1 合金元素特征性参数

1.2 高熵合金的氩弧烧结

使用Φ10 mm 石墨模具，将高频球磨处理后的高熵合金粉末放入该模具并置于焊接工作台上，使用氩弧为热源进行熔炼。 反复烧结多次，在表面张力的作用下，使粉末烧结成球状块体。氩弧烧结工艺参数为:温度1 200～1 700 ℃；烧结时间5 min；焊接电流100 A；焊接电压30 V；氩气流量为10 L/min。

1.3 高熵合金块体的维氏硬度检测和金相分析

将烧结成球状块体的高熵合金粉末，使用磨威ZXQ－2B 型自动镶嵌机制备成Φ22 mm、高为20 mm，便于抛光和测试硬度的圆柱体试样。 选取的载荷为5 kgf，加载时间为15 s，得到的压痕形状为菱形，从目镜读测量出菱形的2 条对角线D1、D2，计算的硬度结果会自动出现在硬度计显示器上。 样品分别选取5 个位置测量硬度值，取其平均数作为材料的硬度。 制备金相试样首先依次使用＃400 和＃800 两种型号砂纸进行粗磨，然后使用＃1500 和＃2000 两种型号砂纸进行细磨。 在粗磨和细磨的过程中，使试样垂直于金相砂纸研磨。 完成后，使用金相抛光机并配合颗粒度为W2.5 的抛光膏进行机械抛光，直至抛光面如镜面般光亮，没有划痕为止。 将制备完成后的样品和焊接接头，使用浓盐酸(HCl)和浓硝酸(HNO3)按体积比为3 ∶1 组成的混合酸溶液进行金相腐蚀。 腐蚀的时间为:在常温下腐蚀30 s，腐蚀完成后使用蒸馏水进行冲洗，之后用酒精冲洗并吹干。 随后在金相显微镜下对球状块体高熵合金和以高熵合金粉末为熔覆金属的焊接接头的微观组织进行观察和分析[10]。

1.4 焊接接头的制备

通过以堆焊的形式，将FeCoNiCrAl 高熵合金粉末，熔覆在尺寸为70 mm×10 mm×5 mm 并开有一个深度为4.5 mm，角度为45°坡口的Q235 母材上[11]。 使用高熵合金粉末为熔覆金属，坡口的焊接以堆焊的方式进行[12]。 氩弧焊接焊接电流为100 A，氩气的气体流量为15 L/min，焊接速度为50 cm/min。 熔覆完成后，由于原材料尺寸为70 mm×10 mm×5 mm，因此无法制作标准的拉伸试样，进行标准的拉伸实验。

根据文献[13]，微型拉伸试样的原始标距与横截面积关系为L＝k S(在国际上比例系数k采用5.65)来选取此次微型拉伸试样的圆弧半径。 其微型试样的力学性能和与同种材料下准试样基本相同。 根据实际情况取得圆弧半径取1.3 mm。 在确保切割精度的前提下，选用线切割的切割方式将熔覆后的Q235 样板，加工成具有一定尺寸的拉伸试样。 打磨拉伸样，抹掉坡口底部的0.5 mmQ253 母材，最后使其表面没有加工的痕迹以防止在拉伸的过程中在切割痕迹处断裂，从而影响实验结果。 使用游标卡尺测量符合标准的拉伸接头的横截面积，完成后使用万能试验机进行拉伸试验，并测出其拉力与位移曲线。

2 结果分析

2.1 FeCoNiCrAl 高熵合金金相组织和焊接接头的金相组织

FeCoNiCrAl 高熵合金金相组织和焊接接头的金相组织如图1 所示。

图1a、图1b 分别代表以FeCoNiCrAl 为熔覆金属的接头连接区域和FeCoNiCrAl 高熵合金粉末制备的合金块体。 合金粉末所填充的接头连接区域结合良好，高熵合金粉末与基材之间实现了冶金连接，形成焊缝组织；由于热输入的影响使得母材处和热影响区处组织的晶粒形态、晶粒度都有明显的不同。 此外焊接接头在抛光之后经过浓盐酸(HCl)和浓硝酸(HNO3)按体积比为3 ∶1 组成的混合酸溶液在常温下腐蚀10 s后[14]，焊接接头各组成部分维氏硬度如图2所示。

由图2 可以看出，母材Q235 被严重腐蚀，而焊缝区的抗腐蚀性能要远好于Q235 母材。 因此，高熵合金相比于母材具有较好的抗腐蚀性能，母材Q235 的抗腐蚀能力远不如FeCoNiCrAl高熵合金。 图1a 母材Q235 为珠光体和铁素体、图1b 球状块体的FeCoNiCrAl 高熵合金组织形态是由树枝晶和枝晶组成的[15]。

2.2 硬度测试

高熵合金粉末处理前后维氏硬度曲线如图3所示。 由图3 可知，高熵合金粉末高频球磨前试样的硬度值分别为420.6 HV、410.5 HV、413.3 HV、398.7 HV 和401.5 HV，高频球磨前试样的平均值为408.92 HV。 高频球磨后的硬度改变为524.2 HV、493.3 HV、476.7 HV、526.1 HV 和521.7 HV，高频球磨后试样的平均值为508.4 HV。

2.3 焊接接头组织和力学性能

拉伸实验开始前，使用游标卡尺，测量焊接接头的横截面积S0＝6.35 mm2、非标准焊接接头拉伸试样的原始标距为L0＝14.84 mm。 拉伸实验结束后再次测量，发现断裂后的标距为L1＝15.52 mm，变化量为△l＝0.68 mm，总伸长率为4.58%。 从断口的形态来看，属于脆性断裂，拉伸试样的断裂发生在焊缝处。 分析断裂原因:1)可能是在熔覆的过程中，母材的坡口处存在一定的氧化物未清理干净，从而使得在焊接的过程中形成了氧化物的夹杂，由于这些夹杂的出现，在加载的过程中逐渐发展形成裂纹源，继续加载逐步扩展形成裂纹，从而形成脆性断裂；2)熔覆金属在熔覆之前高熵合金粉末可能因为吸收空气中的水，造成焊接接头中氢含量过高，从而引起氢脆现象。 上述的两个原因使得焊接接头发生脆性断裂。 焊接接头拉力－位移曲线如图4 所示，由拉伸数据计算得出最大的拉力为1 280.01 N，抗拉强度为201.58 MPa。

3 结语

本文对高频球磨处理前和高频球磨处理后的FeCoNiCrAl 高熵合金粉末所制备的球状块体硬度分别进行检测，以高频球磨后的高熵合金合金粉末为熔覆金属所制备的焊接接头进行拉伸实验初步，得到以下结论:

(1)高频球磨处理后的高熵合金具有更高的硬度。

(2) 与母材 Q235 的耐腐蚀性相比，FeCoNiCrAl 高熵合金的耐腐蚀能力更强。

(3)以FeCoNiCrAl 为熔覆金属用氩弧焊接方法制备的焊接接头存在着一定的焊接缺陷，力学性能一般，拉伸实验的结果显示其断裂方式为脆性断裂，韧性较差，由拉伸数据计算可得其抗拉强度为201.58 MPa。