高熵合金与铝、铜及不锈钢异种材料扩散焊研究

摘要

由于单相FCC结构的CoCrFeMnNi高熵合金对常见的有色金属材料(Al、Cu、Mg、Ti等)有比较大的固溶度，即有色金属溶于CoCrFeMnNi高熵合金的量在一定范围内变化时，并不会引起高熵合金晶体结构的变化，再加上其扩散系数小等特点，高熵合金有作为异种金属连接中扩散阻挡层的可能性。针对异种金属连接中由于物理化学性能差异过大易产生裂纹、界面易生成金属间化合物导致接头脆化等问题，本文运用真空扩散焊技术分别研究了CoCrFeMnNi高熵合金与Al、Cu、304不锈钢的连接，利用扫描电镜、EDS能谱分析、显微硬度测试和拉伸试验机研究了扩散焊温度对原子界面行为和接头机械性能的影响规律，探索高熵合金直接应用于焊接领域或作为异种金属连接的中间层材料的可行性。
　　在540-600℃温度范围内实现了CoCrFeMnNi高熵合金与铝的连接，接头抗拉强度随着温度的升高呈现先升高后降低的趋势，570℃达到其最高值105Mpa，最大应变约为1.8％。经XRD、EDS分析结合界面硬度研究发现，界面上形成了Al79.5(CrMnFeCoNi)20.5型脆性金属间化合物，且随着温度的升高，界面上的化合物由岛状逐渐长大接触形成层状的化合物，随着温度的升高化合物层的厚度逐渐增厚。570℃化合物层的厚度为0.91um，化合物层致密且无缺陷。当温度达到585℃化合物层厚度增加到2.3um时有裂缝出现，温度继续升高裂缝趋势进一步加剧。拉伸试验后断裂均发生在扩散层上，540℃时断口为韧性断裂模式，555℃时断口上开始出现脆断模式，直到585℃脆断为主要断裂模式。可见，化合物层的厚度较薄的时候对接头强度影响较小，厚度较厚的时候由于自身的脆性在外加载荷的过程中会出现裂缝，导致接头的强度急剧下降。
　　在750-850℃温度范围内实现了CoCrFeMnNi高熵合金与铜的良好连接，结合菲克扩散第二定律计算和分析了Cu原子在高熵合金中的扩散系数。结果表明：Cu在高熵合金一侧的扩散速率大于高熵合金组元在Cu侧的扩散，随温度增加，高熵合金组元向Cu侧扩散时其在扩散区内浓度分布降低的程度按Mn＞Cr＞Fe＞Co＞Ni的顺序依次减小。理论计算表明，Cu在高熵合金中的平均扩散系数明显小于铜在不锈钢中的平均扩散系数。经扩散反应后，Cu/高熵合金界面附近均可形成FCC型固溶体组织的反应层，无金属间化合物产生。所有扩散连接接头拉伸后其断裂均发生在远离界面的铜侧，随扩散焊温度升高，其抗拉强度和应变有所降低，其中750℃时铜的抗拉强度与应变分别达到最大值224MPa和33%。
　　在900℃-1000℃温度范围内实现了CoCrFeMnNi高熵合金与304不锈钢的稳固连接。研究表明，温度较低时，界面上存在大量的孔洞，随着温度的升高，孔洞逐渐消失。结合EDS能谱分析以及硬度测试结果得知，反应层成分为FCC固溶体，没有金属间化合物产生。所有接头拉伸后断裂均发生在远离界面的高熵合金一侧，随着扩散焊温度的升高，抗拉强度略微升高，应变明显增大，可能与第二相的数量有关，1000℃时接头的抗拉强度和应变均达到了最大值，分别为585MPa和50%。