張成聰，余麗玲，王玉華，常保華，Amir Shirzadi,4，吳開(kāi)明

(1.武漢科技大學(xué),高性能鋼鐵材料及其應(yīng)用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,武漢,430081；2.武漢科技大學(xué),武漢,430081；3.清華大學(xué),北京,100084；4.School of Engineering &Innovation (STEM),The Open University,Milton Keynes MK76AA,UK)

0 序言

2004 年，臺(tái)灣國(guó)立清華大學(xué)Yeh 教授[1]提出了高熵合金的概念.高熵合金是由多種不分主次的金屬元素組成的復(fù)雜合金體系，又稱為多主元高混亂度合金.它一般由5 種主要元素組成，每種主要元素的原子分?jǐn)?shù)要大于5%，且不能超過(guò)35%.

目前普遍認(rèn)為高熵合金具有四大效應(yīng)：熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)上的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)和性能上的“雞尾酒”效應(yīng).由于上述四大效應(yīng)的存在，高熵合金呈現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)，比如其微觀結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單固溶體、性能上具有高強(qiáng)度和高硬度等[2–5].

隨著材料工業(yè)的發(fā)展，異質(zhì)材料復(fù)合構(gòu)件能夠最大限度利用材料各自的優(yōu)點(diǎn)，起到物盡其用的效果，在工業(yè)領(lǐng)域受到廣泛的重視.但是由于不同的材料具有不同的物理、化學(xué)性質(zhì)，給異質(zhì)材料焊接和連接帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn).比如當(dāng)兩種材料化學(xué)不相容時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的金屬間化合物，這些硬而脆的金屬間化合物會(huì)降低焊接接頭的力學(xué)性能，嚴(yán)重影響焊接結(jié)構(gòu)的服役性能[6–8].

鑒于高熵合金在結(jié)構(gòu)和性能上的顯著特點(diǎn)，考慮到異質(zhì)材料焊接所面臨的難題，將高熵合金作為焊接填料引入到焊接接頭中，實(shí)現(xiàn)焊縫高熵化，可為異質(zhì)材料焊接和連接提供新的解決途徑.目前研究學(xué)者針對(duì)這一新的方向已開(kāi)展了部分研究，取得了一些研究成果.文中總結(jié)了國(guó)內(nèi)外利用高熵合金四大效應(yīng)開(kāi)發(fā)焊接材料和工藝的研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望.

1 焊縫高熵化的研究現(xiàn)狀

1.1 熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)

多主元的特性造成高熵合金的混合熵很高，各組成元素自由無(wú)序地分布，形成了簡(jiǎn)單的無(wú)基元固溶體，而不是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物相或化合物，稱為高熵效應(yīng).高熵效應(yīng)是高熵合金最重要的特征，能夠抑制金屬間化合物的出現(xiàn)，促進(jìn)組元間形成簡(jiǎn)單的體心立方或面心立方固溶體，而不是形成金屬間化合物[9–12].

異質(zhì)材料焊接過(guò)程中，當(dāng)兩種材料化學(xué)不相容時(shí)，界面處易產(chǎn)生大量脆性金屬間化合物，嚴(yán)重降低接頭的力學(xué)性能，限制了異質(zhì)材料零件在諸多領(lǐng)域中的應(yīng)用.因此如何消除異質(zhì)材料焊接接頭中的脆性金屬間化合物，是異質(zhì)材料焊接所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題[13–15].

對(duì)于易產(chǎn)生大量金屬間化合物的異種材料焊接，如果以高熵合金作為焊接填料，或者在界面處原位生成高熵合金，使得異質(zhì)材料連接界面處形成單一或者多種固溶體結(jié)構(gòu)，就可以避免金屬間化合物的產(chǎn)生.

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在利用高熵合金的高熵效應(yīng)進(jìn)行異質(zhì)材料焊接方面進(jìn)行了初步的嘗試，所采用的焊接方法主要集中在壓力焊、釬焊、熔化焊等方面.

1.1.1 壓力焊

在國(guó)內(nèi)，西安理工大學(xué)翟秋亞教授課題組[16-17]提出了基于焊縫金屬高熵化的鈦/鋼電阻點(diǎn)焊中間層設(shè)計(jì)思路.以等摩爾合金Ti-Fe-Cu-Ni-Al 為基點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整高熵合金成分，可有效抑制焊縫脆性金屬間化合物產(chǎn)生，形成簡(jiǎn)單固溶體的TA2/Q235 電阻點(diǎn)焊接頭組織.同樣TA1/Fe5Co24Ni27Cu25Cr19/0Cr18Ni9的儲(chǔ)能焊熔核也實(shí)現(xiàn)了高熵化，避免了金屬間化合物的產(chǎn)生[18].Azhari-Saray 等人[19]以Al0.5FeCoCrNi高熵合金作為過(guò)渡層進(jìn)行6061-T6 鋁合金與St-12 碳鋼的電阻焊，發(fā)現(xiàn)在碳鋼側(cè)形成了固溶體，而在鋁合金側(cè)形成了復(fù)雜的化合物相，主要是由于高熵合金的組成元素向鋁合金大量擴(kuò)散所致.

在固相擴(kuò)散焊領(lǐng)域，對(duì)于容易形成金屬間化合物的異種金屬焊接，在兩者之間加一個(gè)高熵合金的中間層，其對(duì)兩種金屬的主要元素有一定的容納能力，可以在一定程度上減少甚至阻止金屬間化合物的產(chǎn)生.劉玉林等人[20]采用真空擴(kuò)散焊方法實(shí)現(xiàn)了CoCrFeMnNi 高熵合金與304 不銹鋼的穩(wěn)固連接，高熵合金與不銹鋼在界面處形成了FCC 固溶體層，未發(fā)現(xiàn)金屬間化合物.

1.1.2 釬焊

目前焊縫高熵化的研究主要集中在采用高熵合金釬料進(jìn)行金屬、陶瓷和金屬間化合物等同種和異種材料的釬焊[21].

Zhang 等人[22]采用Ti/FeCoNiCrCu 高熵合金的復(fù)合中間層實(shí)現(xiàn)了ZrB2-SiC-C 陶瓷與GH99 高溫合金的釬焊連接，并給出了接頭形成的物理模型，如圖1 所示.Ti/FeCoNiCrCu 的混合高熵效應(yīng)保持了Ti 與Cr 原子的活性，在釬縫中形成了單相固溶體的基體.

圖1 ZSC/GH99 釬焊接頭的組織演化物理模型Fig.1 Physical model of microstructure evolution of ZSC/GH99 brazed joint

Wang 等人[23]采用CoFeCrNiCu 高熵合金實(shí)現(xiàn)了SiC 陶瓷的釬焊，其界面除了形成固溶體外還形成了Cr23C6化合物相.而且由于高熵合金釬料中的元素與兩邊母材相互擴(kuò)散，造成其成分變化.添加Ti 元素可以補(bǔ)償CoFeNiCrCu 高熵合金釬料向ZrB2-SiC 陶瓷和Nb 合金母材溶解造成的成分變化，但是釬縫的單一固溶體組織中產(chǎn)生了富鈦的Laves 金屬間化合物相[24].隨著釬焊時(shí)間的增加，接頭因高熵效應(yīng)的作用仍主要由固溶體組成，接頭中反應(yīng)層厚度逐漸增大[25].

Tillmann 等人[26]采用以Ga 作為降熔元素的CoCrCuFeNiGa 高熵合金釬料實(shí)現(xiàn)了較大釬縫下的Mar-M 247 鎳基高溫合金的釬焊，發(fā)現(xiàn)接頭處形成了兩種FCC 的高熵合金相，并且在局部形成了高硬度的富Ni，Ti 和Ga 相.在γ-TiAl/TiZrNiCuCo/IN718 釬焊接頭靠近γ-TiAl 的反應(yīng)層也形成了Ti-Ni(Cu)-Al 金屬間化合物[27].

Pang 等人[28]采用多主元合金Ti50Zr27Cu8Ni4-Co3Fe2Al3Sn2Si1非晶釬料進(jìn)行鈦合金的釬焊，發(fā)現(xiàn)釬料中降低Cu 和Ni 元素的含量可減少金屬間化合物的產(chǎn)生.Dong 等人[29]采用低熔點(diǎn)的Ti35Zr25-Be30Co10非晶釬料焊接TiAl 基合金與GH536 高溫合金，發(fā)現(xiàn)較高的溫度易導(dǎo)致焊縫中形成金屬間化合物.同樣，Gao 等人[30]采用Fe5Co20Ni20Mn35Cu20多主元合金釬焊鎳基高溫合金，當(dāng)釬焊時(shí)間超過(guò)90 min 后，界面處會(huì)形成CrMn2和Cr2Mn3金屬間化合物.Tillmann 等人[31]采用Nb0.73CoCrFeNi2.1共晶高熵合金釬焊3YSZ 陶瓷與Crofer 22 APU 鋼，發(fā)現(xiàn)釬縫由FCC 固溶體與C14 Laves 相的共晶組織構(gòu)成，在陶瓷界面處產(chǎn)生了HfO2的反應(yīng)層.

綜上，采用高熵合金進(jìn)行同種和異種材料釬焊時(shí)，釬縫中的反應(yīng)產(chǎn)物受到釬料成分、釬焊溫度和時(shí)間等參數(shù)的綜合影響，在形成固溶體組織的同時(shí)還常常會(huì)形成化合物相，尚不能完全實(shí)現(xiàn)釬縫的高熵化.

1.1.3 熔化焊

在異種材料的熔化焊過(guò)程中，由于熱輸入較大且材料發(fā)生熔化，接頭處極易產(chǎn)生脆性金屬間化合物.如果采用高熵合金作為填料，在焊接過(guò)程中，熔池金屬如同一個(gè)高熵化的緩和區(qū)，同時(shí)容納了兩種母材金屬的溶解，并且依然形成高熵合金，可避免形成金屬間化合物.

Liu 等人[32]使用CoZnCuMn0.8Si0.2和FeCoCr-NiMn 兩種高熵合金粉末得到了6061 鋁合金和304 不銹鋼激光焊接的高熵合金焊縫，但是在鋁合金側(cè)的焊縫和熱影響區(qū)界面處產(chǎn)生一個(gè)10～ 20 μm寬度的未充分混合區(qū)，如圖2 所示，該區(qū)域仍然存在亞微米或納米尺度的金屬間化合物.

圖2 鋁/鋼接頭鋁合金側(cè)未充分混合區(qū)的微觀組織形貌Fig.2 Microstructure of insufficient mixing zone on 6061 side of aluminum/steel laser welded joint.(a) CoZnCu-Mn0.8Si0.2 joint;(b) FeCoCrNiMn joint;(c) Al-12Si joint

Hao 等人[33]采用(CoCrFeNi)100-xCux高熵合金絲材作為填料得到了TC4 鈦合金和304 不銹鋼由固溶體組成的激光焊接焊縫，但是在Ti/Cu 過(guò)渡區(qū)形成了Ti(Fe,Co,Cr)2和Ti(Fe,Ni)2相，使得焊接接頭抗拉強(qiáng)度降低，所有接頭均在該處發(fā)生斷裂.侯光遠(yuǎn)[34]選用Ti-Fe-Ni-Cu-V 和Ti-Fe-Cr-Ni-Cu 系高熵合金實(shí)現(xiàn)了TA2/Q235 和TA2/0Cr18Ni9 的TIG熔化焊，通過(guò)正交試驗(yàn)得出了優(yōu)化的焊材成分，焊縫均形成簡(jiǎn)單固溶體.樊丁等人[35]采用預(yù)置CrMnFe-NiZr 高熵合金粉末得到了6010 鋁合金/鋼成形較好的微束等離子熔釬焊接頭，但是接頭界面區(qū)生成較平整的FeAl3金屬間化合物層.因此采用高熵合金作為填料的異種材料熔焊接頭組織存在不對(duì)稱性，在一側(cè)母材界面處形成固溶體，但在另一側(cè)母材界面處常常會(huì)形成金屬間化合物，同樣難以完全實(shí)現(xiàn)焊縫的高熵化.

1.1.4 增材制造和激光熔覆

目前增材制造和激光熔覆多采用粉末形式連接同種或異種材料，高熵合金粉末作為中間層，使得連接處的微觀組織[36-37]和性能[38-39]等方面更為優(yōu)異.

激光熔覆法屬于堆焊技術(shù)中的一種，目前研究大多在鋼材基板上制備高熵合金涂層，合金涂層的微觀組織、力學(xué)性能、抗高溫性能和耐磨性能等方面均顯著提升[40].

Han 等人[41]制備了具有良好抗高溫性能的TixNbMoTaW 高熵合金涂層，隨著Ti 元素含量的增加，延伸性和屈服強(qiáng)度提升，并且在達(dá)到熔點(diǎn)前后保持了穩(wěn)定的BCC 結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性.王磊磊等人[42]研究TC4 鈦合金板材表面激光熔覆FeCoCrNi 高熵合金涂層，得到Ti，Ni 組合和Ti，Co 組合造成部分物相的聚集，熔覆層由穩(wěn)定的FCC+BCC 混合相構(gòu)成，微觀組織更加均勻.

Wang 等人[43]將 CoCrFeNiMn 作為中間層實(shí)現(xiàn)NiTi 合金和304 的連接，由于高熵合金的高熵效應(yīng)大幅度降低了脆性金屬化合物的產(chǎn)生，接頭抗剪強(qiáng)度增加了6 倍.黃留飛等人[44]通過(guò)激光熔覆FeCrCoNiSiB 高熵合金粉末手段，在低碳鋼上成功實(shí)現(xiàn)異種材料的焊接，形成一種新型的含有49%非晶相的覆層，覆層的磨損率比低碳鋼的磨損率低25.9%.

石杰[45]利用激光選區(qū)熔化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Fe68Mo5Ni5Cr2P12.5C5B2.5鐵基非晶粉末和 FeCoCr-NiMn 高熵合金粉末的混合打印，發(fā)現(xiàn)高熵合金連接處的斷裂強(qiáng)度超1 GPa,當(dāng)鐵基非晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，連接處的斷裂強(qiáng)度可達(dá)到1 330 MPa.

在利用高熵合金的高熵效應(yīng)進(jìn)行異種材料的增材制造方面的文獻(xiàn)很少，研究還非常不充分.

1.2 結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)

晶格畸變效應(yīng)是指在多主元高熵合金這種無(wú)基元的固溶體中，各原子周?chē)挤植贾渌煌N類(lèi)的原子，而不同種類(lèi)的原子具有不同的原子半徑，導(dǎo)致晶格發(fā)生嚴(yán)重的畸變.晶格畸變效應(yīng)是高熵合金具有高強(qiáng)度和高硬度的重要原因[12,46–48].

Bridges 等人[49]采用NiMn1.75Fe0.25CoCu 高熵合金作為釬料實(shí)現(xiàn)了鎳基高溫合金IN718 的激光釬焊，認(rèn)為釬焊后高熵合金的硬度上升主要來(lái)源于Cr 原子引入后導(dǎo)致的晶格畸變和“雞尾酒”效應(yīng).

常規(guī)釬料得到的釬焊接頭往往強(qiáng)度較低，主要是由于釬縫由一些強(qiáng)度較低的低熔點(diǎn)相組成.如果采用高熵合金作為釬料，或者實(shí)現(xiàn)釬縫的高熵化，由于存在晶格畸變效應(yīng)，可以提高釬焊接頭的強(qiáng)度.

1.3 動(dòng)力學(xué)上的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)

動(dòng)力學(xué)上的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)是指多種不同類(lèi)型的原子擴(kuò)散會(huì)造成晶格勢(shì)能波動(dòng)范圍加大，從而產(chǎn)生很多可作為“陷阱”的低晶格勢(shì)能的晶格間隙，這些“陷阱”能有效地阻礙原子運(yùn)動(dòng).所以產(chǎn)生了原子緩慢擴(kuò)散效應(yīng)，也稱為遲滯擴(kuò)散效應(yīng)[2,50–52].

由于存在緩慢擴(kuò)散效應(yīng)，高熵合金在高溫下具有有限的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，可以作為擴(kuò)散焊接的阻隔層，避免兩種材料直接接觸產(chǎn)生金屬間化合物.

丁文等人[53]采用CoCrFeMnNi 高熵合金作為擴(kuò)散中間層對(duì)Cu/HEA/304SS 進(jìn)行真空擴(kuò)散連接時(shí)，界面形成了連續(xù)的濃度梯度.但是對(duì)Cu/HEA/Ti進(jìn)行真空擴(kuò)散連接時(shí)，Cu/HEA 界面各元素在界面處形成了連續(xù)的濃度梯度，而HEA/Ti 界面處元素則擴(kuò)散形成多個(gè)平臺(tái)，形成多種金屬間化合物(Cr2Ti，Mn2Ti 和Ni3Ti)，使得該區(qū)域硬度上升，如圖3 所示[54].

圖3 Cu/HEA/Ti 擴(kuò)散焊接頭顯微硬度分布Fig.3 Microhardness distribution of Cu/HEA/Ti diffusion bonded joint.(a) hardness values at different temperatures; (b) joint hardness distribution at 850 ℃

在固相擴(kuò)散焊接過(guò)程中，由于不同材料的擴(kuò)散系數(shù)不一樣，使得在異質(zhì)材料擴(kuò)散焊接界面處易形成孔洞缺陷，這一現(xiàn)象稱為Kirkendall 效應(yīng)[55].高熵合金中間層可以降低異質(zhì)材料擴(kuò)散焊接過(guò)程中的原子擴(kuò)散速率，進(jìn)而抑制Kirkendall 孔洞的形成.劉玉林[56]采用固相擴(kuò)散焊接實(shí)現(xiàn)了CoCrFeMnNi高熵合金與銅的良好連接，與鋼/銅擴(kuò)散焊相比，高熵合金/銅擴(kuò)散焊時(shí)的Kirkendall 孔洞數(shù)量顯著減少.

由于存在緩慢擴(kuò)散效應(yīng)，高熵合金在凝固過(guò)程中元素的遷移和擴(kuò)散很慢，阻礙了晶粒的形核和長(zhǎng)大.當(dāng)作為釬料時(shí)，可以防止母材和釬料的過(guò)渡溶解，減少界面處有害相的生成[30].另外由于合金元素在凝固過(guò)程中的遷移和擴(kuò)散很慢，阻礙了晶粒的形核和長(zhǎng)大，使得界面處的組織傾向于形成納米結(jié)構(gòu)，可提高其耐高溫性能.因此高熵合金可作為高溫結(jié)構(gòu)的釬料，以保證接頭在高溫服役條件下的力學(xué)性能.

在電子封裝領(lǐng)域的釬焊過(guò)程中，熔化的釬料與基體之間發(fā)生界面反應(yīng)，易形成金屬間化合物，焊點(diǎn)處常常在很低的載荷下產(chǎn)生破壞.為解決這一問(wèn)題，在焊點(diǎn)處形成韌性的多主元合金反應(yīng)層是一個(gè)重要的的思路.

Shen 等人[57]研究發(fā)現(xiàn)，由于存在緩慢擴(kuò)散效應(yīng)，高熵合金FeCoNiMn 向錫的溶解非常慢，可作為三維集成電路中小體積錫基焊料/銅焊點(diǎn)間的擴(kuò)散阻隔材料，在電子封裝領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.Peng 等人[58-59]采用AuSn+Au5Sn 共晶釬料實(shí)現(xiàn)了CuNiAg 基體的釬焊，在界面處原位形成了面心立方結(jié)構(gòu)的多主元合金.該合金的形成可以釋放局部應(yīng)力集中，優(yōu)化應(yīng)變局部分布，進(jìn)而增強(qiáng)接頭的剪切性能.

在微電子領(lǐng)域，由于高溫下Cu 元素在Si 元素或SiO2中的擴(kuò)散能力很強(qiáng)，銅引線與硅的連接極易形成Cu-Si 金屬間化合物，因此二者之間常需要擴(kuò)散阻隔層.高熵合金由于具有高的熱穩(wěn)定性和有限的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，在作為擴(kuò)散阻隔層材料方面具有極大的潛力.Tsai 等人[60]采用AlMoNbSiTaTiVZr高熵合金薄膜作為擴(kuò)散阻隔層進(jìn)行銅與硅的連接，發(fā)現(xiàn)高熵合金薄膜能在700 ℃，30 min 內(nèi)阻止Cu-Si 化合物的形成.因此高熵合金是一種很有潛力的Cu-Si 連接擴(kuò)散阻隔層材料.

綜上，緩慢擴(kuò)散效應(yīng)減緩了高熵合金組成原子在高溫下的擴(kuò)散速率，一方面可以作為釬焊和擴(kuò)散焊的阻隔層，防止界面處形成金屬間化合物和Kirkendall 孔洞；另一方面，界面處傾向于形成納米結(jié)構(gòu)，可以用作高溫結(jié)構(gòu)釬焊的釬料.

1.4 性能上的“雞尾酒”效應(yīng)

性能上的“雞尾酒”效應(yīng)是基于主要組元本身特性及其交互作用相結(jié)合產(chǎn)生的一種復(fù)雜效應(yīng).高熵合金的性能受到組成相的綜合影響，會(huì)產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，而不僅僅是各相性能的簡(jiǎn)單混合疊加[61–66].

研究表明，AlxFeCoCrNi 高熵合金中，由于“雞尾酒”效應(yīng)的存在，Al 元素含量的增加使合金結(jié)構(gòu)由FCC 相逐漸轉(zhuǎn)變至BCC 相，合金的強(qiáng)度逐漸提高，同時(shí)伴隨塑性的下降.這是由于FCC 相具有低強(qiáng)度和高塑韌性，而B(niǎo)CC 相具有高強(qiáng)度和低塑韌性.AlxFeCoCrNi 高熵合金的硬度隨Al 元素含量的變化如圖4 所示[67].利用高熵合金的“雞尾酒”效應(yīng)，可通過(guò)調(diào)控高熵合金焊接填料的成分，調(diào)控焊縫中FCC 相和BCC 相的比例，進(jìn)而調(diào)控焊縫的強(qiáng)度和塑韌性，最終使焊縫獲得最優(yōu)的綜合力學(xué)性能.

圖4 鑄態(tài)AlxFeCoCrNi 高熵合金的硬度隨Al 含量的變化Fig.4 Hardness variation of as-cast AlxFeCoCrNi high entropy alloy with various Al contents

Liu 等人[68]采用(CrMnFe)x(CoNi)y系列的高熵合金實(shí)現(xiàn)了不銹鋼和低碳鋼異種材料的激光焊接，發(fā)現(xiàn)高的BCC 形成元素(x/y>7/3)可以獲得硬度較高的焊縫，當(dāng)x/y=5/5 時(shí)，焊縫具有最優(yōu)綜合力學(xué)性能.Liu 等人[69]采用FeCoCrNiMn 和CrFeNi2.4Al0.6兩種高熵合金作為填料實(shí)現(xiàn)了304 不銹鋼和SMA490BW 異種鋼激光填粉焊接，發(fā)現(xiàn)母材的溶解和填充金屬成分的稀釋對(duì)高熵合金焊縫的組成有重要的影響.60°V 形坡口可以減少母材中的Fe 元素向焊縫的溶解，且焊縫顯微硬度提高了33%，主要是由于開(kāi)坡口焊縫中BCC/FCC 相的比例較高[70].

共晶高熵合金具有塑性FCC 相和高強(qiáng)度BCC 相交替分布的片層或棒狀顯微組織，通過(guò)調(diào)整合金成分控制FCC/BCC 型固溶體的比例，進(jìn)而調(diào)控焊縫的強(qiáng)韌性匹配，有望獲得最優(yōu)的綜合力學(xué)性能，因此在高性能鋼等材料的焊接中具有廣闊的應(yīng)用前景.

2 目前存在的問(wèn)題

利用焊縫高熵化的思路來(lái)解決異質(zhì)材料焊接所存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已初步開(kāi)展了一些工作，取得了一些成果.但是研究工作僅涉及少數(shù)異種材料組合、高熵合金體系和焊接方法，研究還非常不充分，存在如下幾個(gè)主要問(wèn)題.

(1)由于所采用的高熵合金填料對(duì)不同母材的容納能力不同，焊接接頭的組織和性能存在不對(duì)稱性.對(duì)于給定的材料組合和高熵合金成分，常常出現(xiàn)一側(cè)母材界面處形成固溶體組織，但在另一側(cè)母材界面處仍存在金屬間化合物，焊縫常常不能實(shí)現(xiàn)完全的高熵化.

(2)采用高熵合金填料焊接過(guò)程中，母材的溶解使得母材和焊縫的元素相互擴(kuò)散，造成高熵合金填料的成分稀釋或變化，進(jìn)而影響焊縫的化學(xué)成分，使得焊縫不再具有高熵效應(yīng).

(3)對(duì)于給定的異質(zhì)材料組合，在高熵合金體系的選擇上大多依賴經(jīng)驗(yàn)，尚未形成通用的選擇依據(jù)和準(zhǔn)則；在選擇高熵合金體系后進(jìn)一步確定合金成分時(shí)也主要依賴經(jīng)驗(yàn)，大多選擇等摩爾比的成分.對(duì)于作為焊接填料的成分選擇和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，尚無(wú)清晰的認(rèn)識(shí)和理論的指導(dǎo).

3 未來(lái)研究展望

高熵合金所具有的高熵效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)、緩慢擴(kuò)散效應(yīng)和“雞尾酒”效應(yīng)在焊接領(lǐng)域表現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值，前景十分廣闊.焊縫高熵化是解決異種材料焊接難題的一個(gè)重要思路，文中結(jié)合已有研究成果，對(duì)該方向未來(lái)發(fā)展給出以下幾點(diǎn)建議.

(1)考慮到母材的溶解對(duì)高熵合金焊縫成分的影響，需保證母材溶入后焊縫仍然形成高熵合金.因此有必要研究母材的合金元素及其含量對(duì)高熵合金相組成的影響，確定能夠形成固溶體結(jié)構(gòu)的合金元素含量范圍，建立不同合金元素含量與相組成之間的關(guān)系，揭示其形成規(guī)律，為高熵合金焊料成分設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

(2)系統(tǒng)開(kāi)展不同材料組合、不同高熵合金體系和不同焊接方法的研究，綜合考慮焊縫高熵化、母材溶解、接頭服役性能以及經(jīng)濟(jì)成本等因素，確定作為焊接填料的高熵合金成分設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.

(3)除了采用目前常用的試驗(yàn)手段外，應(yīng)綜合運(yùn)用熱力學(xué)參量計(jì)算、密度泛函理論、熱力學(xué)第一性原理仿真、分子動(dòng)力學(xué)第一性原理仿真、新相分計(jì)算法、計(jì)算相圖理論、高通量試驗(yàn)與表征以及有限元模擬等手段進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，提高效率，降低對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴.

(4)在高熵合金填料成分設(shè)計(jì)過(guò)程中，綜合考慮焊接方法的不同和焊接工藝參數(shù)的波動(dòng)，以及接頭服役性能的不同對(duì)焊縫高熵化的影響，根據(jù)不同的焊接方法和服役環(huán)境來(lái)選擇不同的合金體系.

(5)目前所采用的高熵合金焊接填料主要是單相固溶體材料，利用其高熵效應(yīng)來(lái)減少或避免接頭金屬間化合物的產(chǎn)生.多相高熵合金，特別是共晶高熵合金能夠有效調(diào)控強(qiáng)度與韌性的匹配，與單相高熵合金相比具有更優(yōu)異的綜合力學(xué)性能.應(yīng)加強(qiáng)多相高熵合金焊接填料的研究和開(kāi)發(fā)，對(duì)相的類(lèi)型和各相比例生成規(guī)律進(jìn)一步探索，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍.

(6)增材制造在異質(zhì)材料構(gòu)件制造中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，將高熵合金作為異質(zhì)材料構(gòu)件的過(guò)渡層，以避免產(chǎn)生金屬間化合物和緩釋殘余應(yīng)力，也是未來(lái)重要的研究方向.目前相關(guān)報(bào)道較少，應(yīng)盡快開(kāi)展基于高熵合金過(guò)渡層的異質(zhì)材料構(gòu)件增材制造技術(shù)的研究.