《Materials & Design》：首次采用钨极气体保护！铸态共晶高熵合金的焊接

摘要

文章首次采用钨极气体保护焊连接铸态AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。采用同步辐射X射线衍射、电子显微镜和热力学计算评估接头微观结构。母材、热影响区和熔合区由FCC+B2 BCC共晶结构组成，未发现焊接缺陷。由于细化的层间厚度，熔合区表现出晶粒细化，从而达到最高的硬度。焊接接头具有良好的强度/延展性平衡。该工作为使用电弧焊接连接共晶高熵合金奠定了基础。

高熵合金于2004年首次独立发现，其具有4种“核心效应”：高熵效应、晶格畸变效应、缓慢扩散效应和鸡尾酒效应。目前研究最广泛的两种高熵合金是单相FCC-CoCrFeMnNi高熵合金，即Cantor合金，和单相BCC-AlCoCrFeNiTi合金。然而，只关注单相合金通常会阻碍合金高强度和延展性的发展。为了克服这一强塑性障碍，开发了双相AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金，该合金具有高强度和高延展性，以期可以替代一些高温合金和低温环境中使用的其他工程合金。

基于熔焊的焊接是一种关键的连接方法，能够制造复杂形状的结构，其对于未来面向应用的研究和与新结构材料的发现相关的技术发展具有重要的潜在价值。因此，评估这些新材料的可焊性至关重要。到目前为止，对AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金的研究主要集中在其铸态或热处理状态，以研究其制备工艺和性能。关于共晶AlCoCrFeNi2.1合金的可加工性的大量知识体系缺乏对使用气体保护钨极电弧焊的材料可焊性的理解，这是一种低成本的焊接工艺，适用于航空航天、石油和天然气等多个行业。

为了弥补上述空白，新葡京大学的科研团队联合美国北德克萨斯大学首次采用钨极气体保护焊焊接了铸态AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。利用光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射分析、高能同步X射线衍射和热力学模拟研究了焊接接头的微观结构演变。相关成果以题为“Gas tungsten arc welding of as-cast AlCoCrFeNi2.1 eutectic high entropy alloy”发表于《Materials & Design》。此外，采用单轴拉伸试验结合数字图像和显微硬度图评估焊接接头的力学性能，系统地研究了微观结构演变及其产生的力学性能，揭示了加工、微观结构和力学性能之间的相关性。

研究发现，钨极气体保护焊能够成功地产生全熔透和无缺陷的焊接接头，表明这种基于熔合的焊接工艺有可能连接这些先进的工程合金。尽管现有相的体积分数不同，但焊接热循环并未改变整个接头的共晶结构。

由于组成初始材料的纳米相的部分溶解，热影响区表现出响应焊接热循环的软化。尽管硬B2 BCC相的体积分数仅为12%，与铸态母材相比，显著细化的显微组织的存在仍能使硬度增加。

力学测试表明，接头的屈服强度高于母材，同时延展性明显降低。由于纳米相中产生应力集中，母材中发生断裂。

免责声明：本文原创自期刊正式发表论文，仅供学术交流，数据和图片来源于所属出版物，如有侵权请联系删除。