CoCrFeMnNi高熵合金/铝熔体界面反应及其CMT熔钎焊

摘要

铝和钢的异种金属连接是目前工程材料结构轻质化以及复合材料领域的重要研究内容，但由于其铝与钢在物理化学性能上的巨大差异，导致在其焊接过程中易生成多种脆性金属间化合物，严重影响接头性能。研究表明，高熵合金CoCrFeMnNi为单一的FCC结构，并对Al有一定的固溶度，即当高熵合金固溶一定含量的铝时，其晶体结构不会发生变化，这为高熵合金作为铝钢焊接的过渡金属提供了依据。根据熔钎焊的特点，本文首先对铸态高熵合金进行了热浸铝熔体实验，利用扫描电镜、XRD、显微硬度分析了HEA-Al固液界面相形成组织结构、分布特点以及演变形成机理。进而以ER4043做为填充焊丝，采用搭接方法对3mm厚的高熵合金与1060铝板进行了CMT熔钎焊实验，并且在高熵合金表面预涂Nolock钎剂作为对比实验，分析了焊缝成型的宏观形貌，钎焊界面的相组织，结构，并对焊缝接头力学性能进行了测试，主要结果如下：
　　高熵合金在铝熔体中热浸反应时，其界面处可形成由Al86Cr13.5Fe6.5、Al86Mn14、Al3Ni和Al9Co2多种富铝金属间化合物组成的复相反应层，同时在反应层铝侧基体依次形成含Cr和Mn的富铝块体相以及含Fe和Ni的富铝层状析出相和网状结构组织。在700℃热浸初期，界面反应层的形成和长大主要受高熵合金表面元素的溶解和脱嵌过程控制，反应层厚度随热浸反应时间的增加而增大。当反应时间t＜10min反应层长大符合抛物线的规律;当反应时间t＞10min后，反应层厚度基本维持在20μm左右不再变化，此时反应层界面迁移速率有所变缓。保温时间，和冷却速率，以及反应温度都是通过影响高熵合金元素的扩散量来影响界面处的相的分布。
　　高熵合金与1060铝板CMT熔钎焊实验结果表明：随着送丝速度的增加，焊缝成型逐渐改善。当在高熵合金表面预涂Nolock钎剂后能够使铝熔体更好地铺展在高熵合金表面，此时钎焊界面处有均匀的反应层生成，该反应层主要由富铝金属间化合物组成，还有Al55Mn20Si25，Al3.21Si0.47生成。随着送丝速度的增加，反应层厚度增加，当送丝速度为4m/min时，钎焊界面处会产生大量的气孔与夹杂，随着送丝速度的增加，缺陷减少。拉剪实验结果表明：在相同送丝速度下，高熵合金表面预涂钎剂后的接头拉剪强度比不涂钎剂时的接头强度有所提高。当送丝速度为4.5m/min时预涂钎剂获得的接头强度最高为70.5MPa，此时界面反应层的厚度约为4.5μm。