氬弧焊接方法制備FeCoNiCrAl 高熵合金焊接接頭的組織和力學(xué)性能研究

李曉鵬，周 龍，賀濤江，程鋅謀，王慶梅，張英哲

(貴州理工學(xué)院材料與能源工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

相比于純金屬，合金的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)件材料中更加廣泛[1]。 元素的組成會嚴(yán)重影響所制備合金的性能，因此在生產(chǎn)制造過程中，通過調(diào)控某些元素的含量，使合金具備卓越的物理和化學(xué)方面性能，從而使其達(dá)到相應(yīng)的使用需求。 但是，隨著對材料相關(guān)性能要求的不斷提高，通過某種元素的含量來改變材料的性能變得越來越困難，使得傳統(tǒng)方法制備的材料的性能很難再有質(zhì)的提升。 想要突破瓶頸，改變以前合金制備思想就勢在必行。 突破以單一元素為主導(dǎo)的傳統(tǒng)合金設(shè)計理念，可能是未來材料發(fā)展的一種方向。 高熵合金(High entropy alloy，HEA)是由臺灣學(xué)者葉筠蔚及其研究團(tuán)隊在1995 年首次提出的[2]，這種合金被定義為含有多種組元，其組元數(shù)目≥5，并且每個組元的原子百分比在5%到35%之間。 按照等原子比或接近等原子的物料組成，采用合適的熔煉方法，從而使多組分元素形成固溶體。 由于高熵效應(yīng)，高熵合金中的物相相對較為簡單，以往的研究表明，高熵合金的物相組成多為簡單的面心立方或體心立方結(jié)構(gòu)[3－4]。 在高熵合金中，多種組元的混合易造成嚴(yán)重的晶格畸變，會阻礙擴(kuò)散作用[5－6]，從而促進(jìn)合金中納米顆粒的析出。 復(fù)合效應(yīng)使合金中不同元素的相互作用對合金的性能產(chǎn)生了交互影響[7]，影響了合金的力學(xué)、物理和化學(xué)性能，使得合金具有較高的熔點(diǎn)、硬度、耐腐蝕能力、熱穩(wěn)定性以及高溫抗氧化能力等[8－9]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 高熵合金粉末的制備

使用純度為99.5%、直徑為20～40 μm 的Fe，純度為99.9%、直徑為1～3 μm 的Co，純度為99.9%、直徑為20～40 μm 的Ni，純度為99.9%、直徑為20～40 μm 的Cr 和純度為99.9%、直徑為20～40 μm 的Al 五種金屬單質(zhì)粉末。 以這五種粉末按照等物質(zhì)的量稱量。 將上述五種粉末和石英玻璃球一起放入自制的高頻球磨設(shè)備，使用酒精作為分散系，同時避免原料粉末被氧化。 球磨工藝參數(shù)如表1 所示。 本實(shí)驗(yàn)根據(jù)以前實(shí)驗(yàn)結(jié)論選取相關(guān)組分元素。 通過高頻球磨和氬弧燒結(jié)制備FeCoNiCrAl高嫡合金，以及以高熵合金為熔覆金屬的焊接接頭， 高熵合金粉末高頻球磨轉(zhuǎn)速為300 r/min；球料比為20 ∶1，球磨時間為72 h。

表1 合金元素特征性參數(shù)

1.2 高熵合金的氬弧燒結(jié)

使用Φ10 mm 石墨模具，將高頻球磨處理后的高熵合金粉末放入該模具并置于焊接工作臺上，使用氬弧為熱源進(jìn)行熔煉。 反復(fù)燒結(jié)多次，在表面張力的作用下，使粉末燒結(jié)成球狀塊體。氬弧燒結(jié)工藝參數(shù)為:溫度1 200～1 700 ℃；燒結(jié)時間5 min；焊接電流100 A；焊接電壓30 V；氬氣流量為10 L/min。

1.3 高熵合金塊體的維氏硬度檢測和金相分析

將燒結(jié)成球狀塊體的高熵合金粉末，使用磨威ZXQ－2B 型自動鑲嵌機(jī)制備成Φ22 mm、高為20 mm，便于拋光和測試硬度的圓柱體試樣。 選取的載荷為5 kgf，加載時間為15 s，得到的壓痕形狀為菱形，從目鏡讀測量出菱形的2 條對角線D1、D2，計算的硬度結(jié)果會自動出現(xiàn)在硬度計顯示器上。 樣品分別選取5 個位置測量硬度值，取其平均數(shù)作為材料的硬度。 制備金相試樣首先依次使用＃400 和＃800 兩種型號砂紙進(jìn)行粗磨，然后使用＃1500 和＃2000 兩種型號砂紙進(jìn)行細(xì)磨。 在粗磨和細(xì)磨的過程中，使試樣垂直于金相砂紙研磨。 完成后，使用金相拋光機(jī)并配合顆粒度為W2.5 的拋光膏進(jìn)行機(jī)械拋光，直至拋光面如鏡面般光亮，沒有劃痕為止。 將制備完成后的樣品和焊接接頭，使用濃鹽酸(HCl)和濃硝酸(HNO3)按體積比為3 ∶1 組成的混合酸溶液進(jìn)行金相腐蝕。 腐蝕的時間為:在常溫下腐蝕30 s，腐蝕完成后使用蒸餾水進(jìn)行沖洗，之后用酒精沖洗并吹干。 隨后在金相顯微鏡下對球狀塊體高熵合金和以高熵合金粉末為熔覆金屬的焊接接頭的微觀組織進(jìn)行觀察和分析[10]。

1.4 焊接接頭的制備

通過以堆焊的形式，將FeCoNiCrAl 高熵合金粉末，熔覆在尺寸為70 mm×10 mm×5 mm 并開有一個深度為4.5 mm，角度為45°坡口的Q235 母材上[11]。 使用高熵合金粉末為熔覆金屬，坡口的焊接以堆焊的方式進(jìn)行[12]。 氬弧焊接焊接電流為100 A，氬氣的氣體流量為15 L/min，焊接速度為50 cm/min。 熔覆完成后，由于原材料尺寸為70 mm×10 mm×5 mm，因此無法制作標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的拉伸實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，微型拉伸試樣的原始標(biāo)距與橫截面積關(guān)系為L＝k S(在國際上比例系數(shù)k采用5.65)來選取此次微型拉伸試樣的圓弧半徑。 其微型試樣的力學(xué)性能和與同種材料下準(zhǔn)試樣基本相同。 根據(jù)實(shí)際情況取得圓弧半徑取1.3 mm。 在確保切割精度的前提下，選用線切割的切割方式將熔覆后的Q235 樣板，加工成具有一定尺寸的拉伸試樣。 打磨拉伸樣，抹掉坡口底部的0.5 mmQ253 母材，最后使其表面沒有加工的痕跡以防止在拉伸的過程中在切割痕跡處斷裂，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 使用游標(biāo)卡尺測量符合標(biāo)準(zhǔn)的拉伸接頭的橫截面積，完成后使用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并測出其拉力與位移曲線。

2 結(jié)果分析

2.1 FeCoNiCrAl 高熵合金金相組織和焊接接頭的金相組織

FeCoNiCrAl 高熵合金金相組織和焊接接頭的金相組織如圖1 所示。

圖1a、圖1b 分別代表以FeCoNiCrAl 為熔覆金屬的接頭連接區(qū)域和FeCoNiCrAl 高熵合金粉末制備的合金塊體。 合金粉末所填充的接頭連接區(qū)域結(jié)合良好，高熵合金粉末與基材之間實(shí)現(xiàn)了冶金連接，形成焊縫組織；由于熱輸入的影響使得母材處和熱影響區(qū)處組織的晶粒形態(tài)、晶粒度都有明顯的不同。 此外焊接接頭在拋光之后經(jīng)過濃鹽酸(HCl)和濃硝酸(HNO3)按體積比為3 ∶1 組成的混合酸溶液在常溫下腐蝕10 s后[14]，焊接接頭各組成部分維氏硬度如圖2所示。

由圖2 可以看出，母材Q235 被嚴(yán)重腐蝕，而焊縫區(qū)的抗腐蝕性能要遠(yuǎn)好于Q235 母材。 因此，高熵合金相比于母材具有較好的抗腐蝕性能，母材Q235 的抗腐蝕能力遠(yuǎn)不如FeCoNiCrAl高熵合金。 圖1a 母材Q235 為珠光體和鐵素體、圖1b 球狀塊體的FeCoNiCrAl 高熵合金組織形態(tài)是由樹枝晶和枝晶組成的[15]。

2.2 硬度測試

高熵合金粉末處理前后維氏硬度曲線如圖3所示。 由圖3 可知，高熵合金粉末高頻球磨前試樣的硬度值分別為420.6 HV、410.5 HV、413.3 HV、398.7 HV 和401.5 HV，高頻球磨前試樣的平均值為408.92 HV。 高頻球磨后的硬度改變?yōu)?24.2 HV、493.3 HV、476.7 HV、526.1 HV 和521.7 HV，高頻球磨后試樣的平均值為508.4 HV。

2.3 焊接接頭組織和力學(xué)性能

拉伸實(shí)驗(yàn)開始前，使用游標(biāo)卡尺，測量焊接接頭的橫截面積S0＝6.35 mm2、非標(biāo)準(zhǔn)焊接接頭拉伸試樣的原始標(biāo)距為L0＝14.84 mm。 拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)束后再次測量，發(fā)現(xiàn)斷裂后的標(biāo)距為L1＝15.52 mm，變化量為△l＝0.68 mm，總伸長率為4.58%。 從斷口的形態(tài)來看，屬于脆性斷裂，拉伸試樣的斷裂發(fā)生在焊縫處。 分析斷裂原因:1)可能是在熔覆的過程中，母材的坡口處存在一定的氧化物未清理干凈，從而使得在焊接的過程中形成了氧化物的夾雜，由于這些夾雜的出現(xiàn)，在加載的過程中逐漸發(fā)展形成裂紋源，繼續(xù)加載逐步擴(kuò)展形成裂紋，從而形成脆性斷裂；2)熔覆金屬在熔覆之前高熵合金粉末可能因?yàn)槲湛諝庵械乃?，造成焊接接頭中氫含量過高，從而引起氫脆現(xiàn)象。 上述的兩個原因使得焊接接頭發(fā)生脆性斷裂。 焊接接頭拉力－位移曲線如圖4 所示，由拉伸數(shù)據(jù)計算得出最大的拉力為1 280.01 N，抗拉強(qiáng)度為201.58 MPa。

3 結(jié)語

本文對高頻球磨處理前和高頻球磨處理后的FeCoNiCrAl 高熵合金粉末所制備的球狀塊體硬度分別進(jìn)行檢測，以高頻球磨后的高熵合金合金粉末為熔覆金屬所制備的焊接接頭進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)初步，得到以下結(jié)論:

(1)高頻球磨處理后的高熵合金具有更高的硬度。

(2) 與母材 Q235 的耐腐蝕性相比，F(xiàn)eCoNiCrAl 高熵合金的耐腐蝕能力更強(qiáng)。

(3)以FeCoNiCrAl 為熔覆金屬用氬弧焊接方法制備的焊接接頭存在著一定的焊接缺陷，力學(xué)性能一般，拉伸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示其斷裂方式為脆性斷裂，韌性較差，由拉伸數(shù)據(jù)計算可得其抗拉強(qiáng)度為201.58 MPa。