田啟超，趙陽，楊明，馬宏昊,3，沈兆武，任志強(qiáng)

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),中國(guó)科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥,230027；2.陸軍裝甲兵學(xué)院,裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100072；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥,230027)

0 序言

由多個(gè)主要元素構(gòu)成的高熵合金(high entropy alloys,HEA)在設(shè)計(jì)具有出色性能的材料時(shí)具有極大的靈活性，被認(rèn)可為航空、生物醫(yī)學(xué)、原子能領(lǐng)域的潛在結(jié)構(gòu)和功能材料[1-3].AlxCoCrFeNi 高熵合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學(xué)和電化學(xué)性能已被進(jìn)行了詳細(xì)研究[4-5].AlxCoCrFeNi 高熵合金在超臨界熱電廠、地?zé)岚l(fā)電廠和核電廠具有極大的應(yīng)用前景[6-7].離子輻射環(huán)境下AlxCoCrFeNi 高熵合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，單相Al0.1CoCrFeNi 高熵合金在輻照下表現(xiàn)出高相穩(wěn)定性[7].Al0.1CoCrFeNi 高熵合金在鑄態(tài)下的組織演變被廣泛研究，但其焊接后的組織演變目前研究較少[8-9].

高熵合金的工程應(yīng)用關(guān)鍵在于焊接技術(shù)的研究[10].目前，已有鎢極氬弧焊[11-12]、激光焊[13]、電子束焊[12]和攪拌摩擦焊[13-14]等焊接方法被應(yīng)用于高熵合金焊接性能的研究，顯示出作為結(jié)構(gòu)材料的巨大潛力.目前，AlxCoCrFeNi[15-16]，CoCrFeMnNi[17]和AlxCoCrCuyFeNi 合金[18]等高熵合金在熔化焊方法的焊接性已有相關(guān)研究，但其有關(guān)固態(tài)焊方法的焊接性研究較少.

與電弧焊、激光焊和電子束焊等熔化焊不同，爆炸焊接是一種固態(tài)結(jié)合技術(shù)，其中兩個(gè)相對(duì)的工件通過炸藥能量的加速作用在高速碰撞下進(jìn)行結(jié)合[19-20].由于固態(tài)連接的特性，爆炸焊接可以有效地避免在熔化焊中常見的各種焊接缺陷，例如氣孔和裂紋[21-22].然而，爆炸焊接過程中射流的周期性運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了界面沿著爆炸焊接方向的波浪形貌以及具有方向性特征的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生[23-24].研究表明，AlxCoCrFeNi 和AlxCoCuyCrFeNi 具有凝固裂紋傾向，且隨著Al，Cu 含量的增加更加明顯[17,25].最近的大多數(shù)研究都集中在高熵合金的焊接性上，但沒有研究集中在高熵合金的異種焊接界面的方向性分布特征上.對(duì)高熵合金爆炸焊接方向特征以及區(qū)域性特征的研究有助于有效開發(fā)不同基材和接頭配置的爆炸焊接技術(shù)，對(duì)于高熵合金的潛在應(yīng)用至關(guān)重要.文中對(duì)爆炸焊接接頭進(jìn)行精細(xì)地拋光從法向截面與縱向截面研究了微觀結(jié)構(gòu)和硬度分布特征，不僅成功地制備了Al0.1CoCrFeNi 高熵合金/Cu 爆炸焊接復(fù)合材料，而且為其它成分高熵合金的爆炸焊接提供了基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)方法

文中所用的Al0.1CoCrFeNi 高熵合金由感應(yīng)熔煉制備.將鑄錠切割成尺寸為50 mm × 16 mm ×2 mm 的板狀，并進(jìn)行表面拋光，然后作為爆炸焊接原料.使用固定間隙為2 mm 的平行結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆炸焊接，如圖1 所示，使用的炸藥是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%中空玻璃微球(hollow glass microspheres，HGMs)和75%乳化基質(zhì)構(gòu)成.乳化基質(zhì)[23]的組成成分為：75%NH4NO3+10%NaNO3+8%H2O+4%C18H38+2%C24H44O6+1%C12H26(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).將乳化基質(zhì)放入厚度為8 mm，六邊形胞格(邊長(zhǎng)6 mm，壁厚60 μm)的鋁蜂窩中制成鋁蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥.在鋁蜂窩炸藥與覆板間插入2 mm 厚度的紙板，選擇軟材料作為緩沖層避免炸藥對(duì)覆板的直接損傷[26].以50 mm × 16 mm × 2 mm 的高熵合金和150 mm ×100 mm × 1 mm 的工業(yè)純銅板分別作為基板和覆板來制造Cu/HEA 復(fù)合材料.此外，雷管被放置在炸藥的短邊中間位置.

圖1 爆炸焊過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of explosive welding process

將爆炸焊接后的Cu/HEA 復(fù)合材料沿爆炸焊接方向切開觀察.使用Gemini500 型掃描電子顯微鏡 (scanning electron microscope，SEM)和 JSM-7800F 型電子背散射衍射(electron backscatter diffraction，EBSD)檢查鍵合界面的微觀結(jié)構(gòu).使用G200 型測(cè)試儀在最大負(fù)載 15 mN 和穩(wěn)定負(fù)載速度500 μN(yùn)/s 下進(jìn)行納米壓痕測(cè)試.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 界面形貌和微觀結(jié)構(gòu)

Cu/Al0.1CoCrFeNi 高熵合金復(fù)合板通過爆炸焊接工藝成功制造.通過SEM 技術(shù)在貫穿波形區(qū)的法向截面和沿著爆炸焊接方向的縱向截面，分別揭示了鍵合界面的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu).

圖2 為法向和縱向截面的SEM 圖像.從圖2可以看出，法向和縱向界面具有相似的界面粘結(jié)形狀，即界面上兩種材料的交替分布和波浪狀結(jié)合.在爆炸焊接過程中，界面附近的溫度升高應(yīng)足夠高以熔化材料并導(dǎo)致形成熔化區(qū)[27].這說明在爆炸焊接后銅覆板和高熵合金基板之間形成了冶金結(jié)合[28].沿著爆炸焊接方向，高熵合金、熔化區(qū)、銅周期性出現(xiàn)(不同區(qū)域如虛線紅色圓圈所示).如圖2a所示，類似于正弦波的Cu/Al0.1CoCrFeNi 高熵合金復(fù)合板的界面形態(tài)中，沿著橫向方向呈波浪狀，并非是平直的，而是有著不規(guī)則的結(jié)合面，并沿著爆轟方向(縱向)波動(dòng)變化(圖3).從法向截面和縱向截面測(cè)得的波長(zhǎng)參數(shù)分別約為94 μm 和89 μm，統(tǒng)計(jì)得到的波長(zhǎng)無明顯不同(圖4).圖2a 顯示局部熔化區(qū)在橫向方向(transverse direction，TD)上非均勻分布.

圖2 法向和縱向截面的SEM 圖像Fig.2 SEM image of normal section and longitudinal section.(a) normal section;(b) longitudinal section

圖3 沿著縱向的波形參數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.3 Waveform parameter statistics along the longitudinal direction

圖4 不同截面波形統(tǒng)計(jì)Fig.4 Waveforms statistical of different sections

2.2 界面區(qū)域性特征

為了分析界面結(jié)合，使用EDS 對(duì)圖5 所示位置進(jìn)行了線掃描，結(jié)果表明過渡層厚度小于2 μm，因此兩種材料在爆炸焊接過程中并未發(fā)生大規(guī)模熔化[29].

圖5 線掃描路徑及波峰處的熔化區(qū)Fig.5 Line scan position and melting zone at the crest

為了進(jìn)一步研究Cu/Al0.1CoCrFeNi 高熵合金界面處的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了EBSD 測(cè)試，EBSD 測(cè)試區(qū)域在圖6 中用白色虛線框標(biāo)出.圖5 和圖7 顯示了元素分布的測(cè)試區(qū)域，其中面掃描結(jié)果分別顯示在圖8 和圖9 中.面掃描和線掃描對(duì)應(yīng)位置的元素測(cè)試結(jié)果分別顯示在表1 和圖10 中.

表1 Al0.1CoCrFeNi/Cu 界面的元素組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Element compositions of Al0.1CoCrFeNi/Cu interface

圖6 EBSD 測(cè)試區(qū)域和元素測(cè)試點(diǎn)Fig.6 EBSD test areas and elemental test points

圖7 波谷處的熔化區(qū)Fig.7 Melting zone at the trough

圖8 波峰處的元素分布Fig.8 Element distribution at the wave crest

圖9 波谷處的元素分布Fig.9 Element distribution at the wave trough

圖10 線掃描的元素分布Fig.10 Element distribution of line scan

圖5 為銅側(cè)區(qū)域1 的微觀結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離界面處銅的晶粒未發(fā)生明顯變形.如圖6 所示，Cu/Al0.1CoCrFeNi 高熵合金的結(jié)合界面呈現(xiàn)出帶有旋渦的正弦波形，且波形界面兩側(cè)出現(xiàn)局部熔化區(qū)域，如圖5 和圖7 所示.旋渦結(jié)構(gòu)的形成可能是由于爆炸焊接過程中較大的間隔距離導(dǎo)致的大塑性變形和界面處的局部高溫分布所致[30].在爆炸焊接過程中，大多數(shù)射流都向前移動(dòng).然而，一部分銅改變了方向，并由于較大的塑性變形而回旋，并不斷地穿透以形成渦流[31].這一分布特性與元素面分布特征一致，如圖8 和圖9 所示，即銅包裹著高熵合金在旋渦中心形成混合區(qū).在靠近界面平坦部分(波底部)，這些圖顯示了與較早在旋渦區(qū)域中觀察到的相同的變形的微結(jié)構(gòu).在銅側(cè)細(xì)晶粒的薄層直接附著于高熵合金板材，并且沿著界面傾斜分布.相對(duì)于波前位置，波后區(qū)域銅片的嚴(yán)重變形層很薄，由微帶以及沿界面拉長(zhǎng)的扁平晶粒組成.隨著距界面的距離增加，應(yīng)變硬化效果很快消失[32].

圖11 為不同區(qū)域下EBSD 結(jié)果.如圖11 所示，銅側(cè)的伸長(zhǎng)區(qū)由細(xì)長(zhǎng)晶粒組成，這些扁平的晶粒強(qiáng)烈彎曲，并沿著波形趨勢(shì)分布.圖11a 中的銅基體部分基本由大于5 μm 的晶粒構(gòu)成，圖11b 和圖11c中的變形區(qū)中小于5 μm 的晶粒占比分別提高到25%和48%.扁平晶粒的尺寸相對(duì)原理界面銅晶粒的尺寸因變形和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生了細(xì)化[33].在旋渦中觀察到的最典型特征是形成細(xì)晶區(qū)域，該細(xì)層由直徑小于5 μm 的細(xì)等軸晶粒組成(圖11d).由于爆炸焊接高速碰撞過程中引起的高溫會(huì)在界面產(chǎn)生溫度梯度，因此在嚴(yán)重變形的旋渦區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)新的再結(jié)晶晶粒成核[34].在旋渦中的元素混合區(qū)域附近，扁平晶粒被等軸晶粒代替.

圖11 不同區(qū)域下EBSD 結(jié)果Fig.11 EBSD results of different region.(a) region 1;(b) region 2;(c) region 3;(d) region 4

2.3 界面硬度分布特征

圖12 為爆炸焊接界面的法向截面特征，沿著爆炸焊接方向銅、高熵合金、混合區(qū)、銅交替分布.為了研究硬度周期性變化趨勢(shì)，沿著爆炸焊接方向進(jìn)行了納米壓痕試驗(yàn)測(cè)試，并與顯微硬度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.如圖13 所示，界面上沿著爆炸焊接方向硬度數(shù)值周期性起伏.在分析顯微硬度值時(shí)，對(duì)嚴(yán)重變形的層中動(dòng)態(tài)恢復(fù)和再結(jié)晶過程的精確分析變得更加清晰.在傳統(tǒng)金屬的復(fù)合界面中，由于脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，旋渦區(qū)的硬度值一般遠(yuǎn)高于兩側(cè)基體[35].然而，界面附近的旋渦區(qū)硬度介于兩側(cè)基體的硬度之間.這可能與重結(jié)晶引起的軟化有關(guān)[30].這一特征表明Cu/Al0.1CoCrFeNi 高熵合金界面的混合區(qū)(圖14)不同于常見的金屬間化合物高硬度特征[36-37].

圖13 納米壓痕試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果Fig.13 Measurement results of nanoindentation test

圖14 焊接界面的微觀形貌Fig.14 Microstructure of welded interface

3 結(jié)論

(1) Al0.1CoCrFeNi/Cu 復(fù)合板的爆炸焊接界面呈現(xiàn)出波狀結(jié)合，且旋渦區(qū)中未出現(xiàn)傳統(tǒng)材料復(fù)合界面中脆性金屬間化合物引起的裂紋.

(2) Al0.1CoCrFeNi/Cu 復(fù)合板的爆炸焊接界面具有縱向周期性的結(jié)構(gòu)分布以及橫向不規(guī)則的邊界.在Al0.1CoCrFeNi 和銅的交界處，元素含量具有明顯的分界.

(3)爆炸焊接界面縱向波峰兩側(cè)具有拉長(zhǎng)的晶粒，旋渦區(qū)具有再結(jié)晶的等軸細(xì)晶.隨著晶粒變形程度的增加，相應(yīng)區(qū)域細(xì)晶的比例隨之增加.

(4)爆炸焊接界面的硬度呈現(xiàn)周期性的變化.此外，Cu/Al0.1CoCrFeNi 高熵合金界面的混合區(qū)硬度介于銅與高熵合金兩側(cè)的硬度之間.