張秉剛, 于 濤, 王厚勤, 韓 柯,2

（1．哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室, 哈爾濱 150001；2．江蘇大學 材料科學與工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

傳統(tǒng)合金設計理念認為合金主元數(shù)越多，則越易形成金屬間化合物等復雜相[1]，對合金性能影響較大。 高熵合金(high-entropy alloy, HEA)是Yeh 等[2]在研究非晶合金的基礎上，打破傳統(tǒng)的合金設計理念，提出了等摩爾多主元合金的概念，并于2004 年將其定義為高熵合金。這種合金理論的提出，為高性能合金設計提供了新思路，因此被視為材料領域最具有發(fā)展?jié)摿Φ娜笱芯繜狳c（高熵合金、大塊金屬玻璃與橡膠合金）之一[3]。而高熵合金也展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能[4]，如高強度、高硬度、高耐磨性及優(yōu)良的耐高溫性能、高溫抗氧化性、耐蝕性等。

近幾年，國內(nèi)外學者采用不用的焊接方法進行了高熵合金同種材料、高熵合金與異種材料、高熵合金作為填充材料的焊接，并取得了頗有影響力的學術(shù)成果。本文主要對高熵合金焊接領域的研究現(xiàn)狀進行綜述，針對高熵合金在焊接過程中存在的問題如焊接缺陷、接頭性能等進行總結(jié)，并提出未來高熵合金焊接領域的發(fā)展趨勢。

1 高熵合金定義及特性

高熵合金作為一種固溶體合金，無法區(qū)分溶質(zhì)和溶劑組元，一般由五種或五種以上金屬或非金屬元素以等摩爾比或近等摩爾比經(jīng)熔煉或其他方法制備而成。由于沒有一種元素的含量超過50%而作為主要元素，因而高熵合金特性由各主元集體決定[5]。高熵合金由于多主元混合而產(chǎn)生多種效應[6]：

（1）高熵效應。對于高熵合金，由于主元數(shù)較多，會使合金系統(tǒng)具有更高的混合熵，尤其在高溫下，混合熵一般占主導地位，系統(tǒng)的混合熵大于形成金屬間化合物的熵變，會抑制中間相化合物的形成，促使元素簡單混合形成固溶體。

（2）晶格畸變效應。高熵合金中由于元素種類較多，且原子尺寸大小不一，會造成嚴重晶格畸變，從而給高熵合金帶來優(yōu)于傳統(tǒng)合金的機械、物理和化學性能。

（3）遲滯擴散效應。高熵合金各種元素之間的原子尺寸相差較大，特別是當合金的混合熵很高時，合金主元之間的協(xié)同擴散就會變得困難。而且晶格的嚴重變形也會阻礙原子的運動，使擴散在高熵合金中難以進行。

（4）雞尾酒效應。此效應由Ranganathan 首次提出并應用于金屬領域，指因組合協(xié)調(diào)而產(chǎn)生意想不到的效果。對高熵合金來說，各組元均可影響合金的整體性能。可在制備高熵合金時，通過選取各種特定性能元素，來得到具有不同特性的高熵合金，這也是目前高熵合金的主要配制方法。

2 高熵合金焊接

目前高熵合金研究重點依然傾向于不同主元所獲得的組織及性能方面的研究，局限于實驗室研究與開發(fā)探索，因此在焊接方面的研究成果依然處于初期階段。對文獻數(shù)據(jù)網(wǎng)站W(wǎng)eb of Science 中與“Welding of high-entropy alloys”相關的出版文章數(shù)和引用數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可以看出，從2016 到2021 年，出版數(shù)和引用數(shù)均大幅度上升，這說明隨著高熵合金相關制備工藝的發(fā)展，高熵合金的焊接正在成為一個研究熱點。目前研究的焊接工藝，主要分為三個：熔化焊接技術(shù)、擴散焊接技術(shù)和固相焊接技術(shù)[7]。

由于高熵合金的多主元特點，導致其在制備過程中極易出現(xiàn)組織變化和成分偏析，大塊材料性能均勻性無法保證，因此到目前為止有關高熵合金之間的焊接研究文獻主要集中在三個方面：高熵合金同種材料焊接、高熵合金與異種材料之間的焊接以及高熵合金作為填充材料進行異種材料之間的焊接。其中高熵合金同種/異種焊接接頭性能存在著一定程度的下降，并受到合金本身性能、接頭結(jié)構(gòu)和焊接工藝等因素的限制。高熵合金作為填充材料時，可以通過成分調(diào)控以及高熵合金具備的高熵效應和遲滯擴散效應抑制母材的過度溶解，生成固溶體相而非金屬間化合物，進而提升接頭性能。

2.1 高熵合金同種材料焊接

Palguna 等[8]研究了Al0.2CoCrFeNiMo0.5高熵合金的鎢極氣體保護焊（GTAW）接頭組織和性能。結(jié)果表明，熱影響區(qū)（HAZ）和焊縫區(qū)（FZ）展現(xiàn)了和母材（BM）相同的組織特征。形態(tài)特征由BM 中FCC+σ 相粒子變成了HAZ 中破碎的共晶組織以及FZ 中枝晶FCC 相和枝晶間σ 相，造成了GTAW 接頭屈服強度、拉伸強度和斷裂應變的輕微下降。同時，接頭伸長率的下降與FZ 中連續(xù)的枝晶間脆性σ 相造成的裂紋萌生和擴展相關。

Wu 等[9]對由電弧熔煉生產(chǎn)的CrMnFeCoNi合金（單相面心立方結(jié)構(gòu)材料）進行了電子束焊接（EBW）研究，發(fā)現(xiàn)接頭成形良好、無裂紋等缺陷產(chǎn)生，且在室溫下接頭保持了母材的強度與塑性。此外作者還發(fā)現(xiàn)CrMnFeCoNi 合金EBW 接頭在低溫下?lián)碛懈觾?yōu)異的強度和塑性，認為這是由于低溫下材料內(nèi)產(chǎn)生了較多孿晶界而形成孿晶強化的結(jié)果。通過對比兩種不同熱循環(huán)狀況下的CrMnFeCoNi合金接頭，即高能量密度-低熱輸入的EBW 和低能量密度-高熱輸入的GTAW，發(fā)現(xiàn)GTAW 接頭抗拉強度和伸長率均降低，分別為母材的80%和50%[10]。

Kashaev 等[11]采用激光束焊接（LBW)獲得了CoCrFeNiMn 型高熵合金對接接頭。在焊縫區(qū)域形成了M7C3型碳化物沉淀相，使合金硬度從150HV0.5提升至205HV0.5。焊接接頭相對于母材屈服強度和抗拉強度保持一致，伸長率略有下降。同樣地，兩種材料的疲勞測試結(jié)果相當，耐久極限為200 MPa，大致為CoCrFeNiMn 型高熵合金極限抗拉強度的55%～57%，焊接接頭未斷裂在焊縫區(qū)域。通過觀察疲勞試樣的微觀組織，發(fā)現(xiàn)當測試壓力增加到350～365 MPa 時，二次滑移系統(tǒng)被激活，而只有單滑移在250 MPa 的最大應力下運行。通過高功率LBW 成功獲得了無缺陷的FeCoNiCrMn高熵合金接頭[12]。焊縫內(nèi)存在著細小的晶粒，并表現(xiàn)出高硬度和良好的抗循環(huán)變形能力。這是因為Mn-C 沉淀相在晶粒內(nèi)和晶界處富集，對位錯和晶界起到了釘扎的作用。AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金（EHEA）LBW 接頭由于較高的冷卻速率及其引起的快速凝固效應，使得焊縫區(qū)域主要由＜111＞反向的細小等軸晶粒組成。由于小角晶界（LABs）和高位錯密度而導致焊態(tài)接頭強度略高于母材，為1201 MPa，且拉伸試樣斷裂在母材區(qū)域[13]。通過對共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1擴散焊接頭的研究[14]，在溫度低于1000 ℃時，擴散區(qū)域?qū)挾入S著溫度升高而增大；溫度高于1050 ℃時，在遲滯擴散效應的影響下寬度未發(fā)生變化。接頭最大剪切強度為1050 ℃條件下的648 MPa，這是因為在1000 ℃以下溫度，接頭中存在大量空洞以及FCC相和B2 相之間的非協(xié)調(diào)形變，易發(fā)生脆性斷裂；隨著溫度升高，接頭中形成了連續(xù)的固溶體，增大了接頭強度。Li 等[15]采用Ni 基中間層獲得了良好的AlCoCrFeNi 高熵合金釬焊接頭。通過界面的成分設計，在1300 ℃/-15 min 條件下的接頭強度為（687.2±23.2） MPa 的近似均質(zhì)接頭，是異質(zhì)接頭的3 倍。接頭內(nèi)高熵固溶強化，析出強化以及晶粒細化效應是性能的主要提升機制。與此同時，在800 ℃下退火240 h 后，接頭強度僅下降3%，說明其在高溫下應用的穩(wěn)定性。Zhu 等[16]對采用電弧熔煉制取的CoCrFeNiAl0.3高熵合金進行了攪拌摩擦焊（FSW）焊接性的研究。接頭處可以觀察到四個典型區(qū)域：焊核區(qū)（SZ）、熱變形影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材（BM），且無缺陷產(chǎn)生。焊核（SZ）在再結(jié)晶的作用下呈現(xiàn)細小的等軸晶組織并具有最高的硬度值，晶粒尺寸隨著焊速的增加略有減小。TMAZ 由于局部再結(jié)晶，由粗大和細小晶?；旌隙?。Lin 等[17]獲得的Al0.3CoCrCu0.3FeNi 高熵合金對接FSW 接頭的最高拉伸屈服強度為920 MPa，伸長率為37%。通過對接頭SZ 組織進行分析（圖2）發(fā)現(xiàn)，由于部分再結(jié)晶而形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)造成的協(xié)同強化、Hall-Petch 強化、ROM 導致的變形晶粒強化是性能提升主要原因，這在傳統(tǒng)合金的FSW 中是不常見的，這歸因于HEA 的低堆垛層錯能和高晶粒生長活化能。上述結(jié)果表明，F(xiàn)SW 可作為一種高熵合金的連接手段應用在工程實際中。

2.2 高熵合金和異種材料之間的焊接

Sokkalingam 等[18]對Al0.1CoCrFeNi 高熵合金/AISI304 不銹鋼進行異種材料電子束焊接研究，獲得了純凈無缺陷的接頭。在低熱輸入條件下，不銹鋼側(cè)的熱影響區(qū)寬度被限制在20 μm 左右。焊縫金屬遵循A 凝固模式，由于電子束焊接的快冷以及較低的Cr/Ni 比而獲得了過飽和的全奧氏體柱狀枝晶結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)出外延生長特征。異種材料接頭的屈服強度和極限抗拉強度分別為（310±10） MPa 和（560±15） MPa，高于Al0.1CoCrFeNi 合金母材。對這兩種材料進行電弧焊接同樣獲得了很好的接頭結(jié)構(gòu)，在靠近Al0.1CoCrFeNi 合金側(cè)的焊縫中存在外延的等軸枝狀晶，而AISI304 側(cè)為粗大的柱狀晶粒[19]。接頭的強度高于高熵合金，可以滿足室溫條件下的結(jié)構(gòu)應用。Oliveira 等[20]利用激光焊對軋制CoCrFeMnNi 高熵合金和316 不銹鋼進行連接，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)由一種新的單相FCC 固溶體構(gòu)成，由兩種母材以及316 不銹鋼中的C 熔化后混合形成，并產(chǎn)生固溶強化作用。接頭強度約為450 MPa，斷裂在焊縫區(qū)，是因為該區(qū)域內(nèi)形成了較大的等軸晶粒。在FeCoNiCrMn-TC4 激光焊接頭中添加Cu 中間層，可以使接頭強度提升140 MPa，這是因為生成的富Cu 相可以破壞脆性金屬間化合物，增加了接頭塑性[21]。

Du 等[22]研究了不同溫度下難熔高熵合金Al5(TiZrHfNb)95和Ti2AlNb 擴散焊接頭的組織（圖3）和性能。典型接頭組織為Ti2AlNb/固溶體/Al3Zr5/固溶體/Al5(TiZrHfNb)95，Al3Zr5脆性相筆直地分布在界面處，其形成原因是在擴散焊溫度下具有最低的Gibbs 自由能，會造成應力集中并萌生裂紋，從而降低接頭強度。隨著釬焊溫度的增加，在1100 ℃時，接頭剪切強度達427 MPa，因為Al3Zr5脆性相含量的減少，由脆性斷裂轉(zhuǎn)換為韌性斷裂。在AlCoCrFeNi/BNi-2/FGH98 釬焊結(jié)構(gòu)中，在HEA 合金側(cè)生成富Ni 高熵混合相，在高溫合金側(cè)則形成富Cr 的硼化物Cr5B3。隨著釬焊溫度的提升，接頭強度先上升后下降。這是因為在較低溫度下，釬縫內(nèi)存在空洞和硼化物，提高溫度后Ni(s,s)相增多，有利于接頭強度。當溫度為1090 ℃和1110 ℃時，在HEA 側(cè)出現(xiàn)Cr5B3，弱化了接頭強度。在1070 ℃/-10 min 條件下，獲得最大剪切強度454 MPa，發(fā)生韌性斷裂[23]。

Nene 等[24]對亞穩(wěn)態(tài)相變Fe39Mn20Co20Cr15Si5Al1高熵合金（Al-HEA）和Al-7050 合金進行了攪拌摩擦對接焊。在焊核中存在明顯的機械混合特征，剪切掉的HEA 顆粒分散在鋁合金中，金屬間化合物的產(chǎn)生受到抑制，獲得了近似清潔的界面。同時焊接接頭的抗拉強度為400 MPa，伸長率約為10%，在腐蝕測試后的焊接界面處沒有明顯的點蝕痕跡，說明與高熵合金的異種連接接頭是獲得高強鋁合金輕質(zhì)應用的一種有效途徑。通過FSW 對CoCrFeMnNi 和STS304 鋼進行連接，獲得了無缺陷的接頭[25]，同時因為原子的遲滯擴散效應阻止晶粒長大使得HEA 側(cè)的TMAZ 區(qū)的晶粒更細小。FZ由單相FCC 固溶體相組成，具有較高的硬度。在TRIP 和TWIP 機制的作用下，接頭的低溫拉伸性能優(yōu)于室溫（圖4）。

2.3 作為填充材料進行異種材料之間的焊接

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)的不斷進步，單一金屬結(jié)構(gòu)通常很難滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，因此傳統(tǒng)異種金屬材料連接的復合結(jié)構(gòu)成為發(fā)展趨勢，但異種材料同時存在冶金不相容性，如接頭易形成脆性金屬間化合物、不同熔點相的偏析以及較大的殘余應力等問題[26]，從而導致接頭性能較差。

調(diào)控異種材料接頭冶金不相容性的傳統(tǒng)方法主要是通過施加擴散阻擋層對金屬間化合物進行控制。高熵合金由于其獨特的高熵效應，高溫下的遲滯擴散效應以及多組元條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在被應用為異種焊接接頭填充材料時，傾向于抑制金屬間化合物相而形成簡單FCC 或BCC 相[6]，進而抑制母材的過度溶解，來提高接頭性能[7]。Liu 等[27]提出采用高熵合金作為中間層焊接Al/Mg 合金有助于在焊縫中抑制金屬間化合物的產(chǎn)生，形成簡單固溶體。因此利用高熵合金作為填充材料進行異種材料之間的焊接有較廣泛的應用前景。

2.3.1 熔化焊研究

目前國內(nèi)外針對高熵合金作為中間層進行的熔化焊研究報道主要集中在異種材料的電阻點焊、激光沉積焊以及激光焊。

Hamed 等[28]采用電阻點焊6061-T6 鋁合金和St-12 低碳鋼異種材料的過程中添加了不同厚度的Al0.5FeCoCrNi 高熵合金中間層。相對于無中間層條件下Al 側(cè)界面存在的情況，添加中間層的接頭內(nèi)無裂紋的產(chǎn)生，這是因為在Al 側(cè)產(chǎn)生了復雜的IMCs 層，但是有增加了熱撕裂現(xiàn)象的趨勢，這與IMCs 向Al 中的溶解而影響其凝固行為相關，并隨著中間層厚度的增加，溶解率增加，在接頭處產(chǎn)生共晶組織。

Liu 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在AA6061 和304SS 異種材料的激光沉積焊過程中添加高熵合金填充層能夠抑制脆性IMC Fe-Al 的形成，同時在焊縫區(qū)無偏析，生成了細小的等軸晶。通過在304SS 和SMA490BW鋼的異種焊接中添加CrMnFeCoNi 和CrFeNi2.4Al0.6高熵合金填充層，發(fā)現(xiàn)母材的稀釋率會影響焊縫區(qū)的高熵成分，所有接頭均展現(xiàn)出較好的拉伸強度和優(yōu)于SMA490BW 鋼的耐腐蝕性[30]。在304SS 和Q235 鋼的激光沉積焊接過程中，研究了添加不同比例的BCC 形成元素（Fe，Cr 和Mn）和FCC 形成元素（Co 和Ni）的影響，組織和性能對比見圖5[31]。發(fā)現(xiàn)隨著（CrMnFe）含量的增加，焊縫區(qū)形成等軸胞狀晶，晶粒尺寸增大，同時形成了更多的BCC相，增大了焊縫區(qū)硬度。其中接頭填充(CrMnFe)5(CoNi)5粉末成分時，具有最合適的BCC 和FCC 相比例，接頭呈現(xiàn)最優(yōu)的性能，說明可通過調(diào)控中間層組分來對接頭性能進行控制。

Gu 等[32]為了避免TC4 鈦合金和6082 鋁合金激光焊接頭中生成Ti-Al 金屬間化合物，使用了CoNiCuNb0.5V1.5高熵合金填充層。在高熵合金的高混合熵和遲滯擴散效應的作用下，抑制了IMC相的產(chǎn)生，最大抗拉強度為190 MPa。

值得注意的是，采用熔化焊對異種材料連接時，由于涉及兩側(cè)合金的熔化，因此選用高熵合金作為填充材料時必須考慮兩側(cè)合金熔化對焊縫高熵化的影響，為減小這種影響，需從焊縫形貌和填充材料兩方面進行考慮。

2.3.2 釬焊研究

賈晨[33]采用Cu20A120Sn20Ag20Bi20 高熵合金釬料對鋁/銅進行了高頻感應釬焊工藝研究，結(jié)果表明，釬縫處存在立方結(jié)構(gòu)黑色相和四方晶系結(jié)構(gòu)灰色相，但非CuAl2金屬間化合物相，這說明采用高熵合金釬料能抑制金屬間化合物的產(chǎn)生。對接頭進行力學測試發(fā)現(xiàn)，采用15 A 電流時獲得的接頭強度最優(yōu)（38.84 MPa），但與現(xiàn)有Zn-Al 釬料釬焊接頭強度(128.5 MPa)相比，性能較低[34]，這是由于釬料中加入低熔點的Sn 元素和Bi 元素以降低釬料熔點，這兩種元素的存在影響了釬料的力學性能，因此后期需對高熵合金釬料進行優(yōu)化。

Ding 等[35]采用CoCrFeMnNi 高熵合金中間層對Cu 和Ti 進行了真空固相擴散焊。在不同溫度下，HEA/Ti 側(cè)均連接良好，無明顯缺陷，由于遲滯擴散效應形成了固溶體相和兩種IMC 相（Mn2Ti和Cr2Ti）。在800～850 ℃的Cu/HEA 側(cè)發(fā)現(xiàn)了Kirkendall 孔洞，在反應層內(nèi)形成了單一FCC 固溶體相。這與不同溫度下元素的擴散系數(shù)相關。反應層的厚度可以通過擴散溫度和擴散時間來進行控制。

此外，高熵合金填充層也被應用到陶瓷材料的焊接研究中。Zhang 等[36]采用Ti/FeCoNiCrCu 復合填充層對ZSC 陶瓷/GH99 合金進行了釬焊研究。發(fā)現(xiàn)由于高熵合金的混合熵效應，焊縫中優(yōu)先形成FCC 固溶體。當釬焊溫度達到1180 °C，保溫時間為60 min 時，接頭獲得最高剪切強度（71 MPa），這是由于該工藝參數(shù)下焊縫中形成了較多FCC 固溶體，對接頭起到強化作用。

Wang 等[37]采用CoFeCrNiCu 高熵合金釬料對SiC 陶瓷進行釬焊連接。發(fā)現(xiàn)釬焊接頭的組織性能與釬焊溫度的關系較小，當使用高熵合金釬料時，接頭在1453 K 下的最高剪切強度可達60 MPa，遠高于使用AgCuTi 釬料的SiC 釬焊接頭。這是因為在接頭基體中形成大量的FCC 固溶體，能夠緩解其殘余應力，同時高硬度Cr23C6相的產(chǎn)生可以阻礙裂紋的擴展，這均有利于強度的提高。Wang等[38]又在ZrB2-20%（體積分數(shù)）SiC 與純Nb 的異種釬焊過程中利用了CoFeCrNiCu 高熵合金釬料。由于高熵混合效應，使Cr 元素的活性在釬焊過程中被保持，產(chǎn)生的鋸齒狀Cr2B 相增加了釬焊界面強度。Nb 母材與高熵釬料反應生成較軟的FCC 固溶體和較硬的Laves 相可顯著增大接頭力學性能。

高熵合金作為一種新的金屬材料，在焊接領域具有很好的研究及應用前景。通過總結(jié)分析焊接參數(shù)，高熵成分和焊接初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)對同種/異種高熵合金接頭以及高熵合金作為填充材料進行異種材料焊接接頭微觀組織及性能的影響，得到了如下結(jié)論：

（1） 高熵合金熔化焊接在加熱和冷卻過程中形成了異質(zhì)結(jié)構(gòu)接頭，強度損失相對較為嚴重；固相連接由于較低的熱輸入，接頭強度優(yōu)于熔化焊，但強度高或者塑性低的高熵合金不適用于固相焊，同時受到接頭結(jié)構(gòu)的限制；擴散焊接頭性能由界面擴散及反應決定，同時受到填充材料成分和焊接參數(shù)的影響。對不同條件和工藝下高熵合金焊接的性能總結(jié)見表1[8-9,13,15,17-18,20,23-24,31-32,36,38]。

表1 高熵合金焊接的接頭力學性能[8-9,13,15,17-18,20,23-24,31-32,36,38]Table 1 Mechanical properties of welding joints of HEA[8-9,13,15,17-18,20,23-24,31-32,36,38]

（2） 高熵合金作為填充材料表現(xiàn)出巨大發(fā)展?jié)摿?。HEA 可以將接頭金屬轉(zhuǎn)化為簡單的固溶體相，并抑制母材的過度溶解，防止金屬間化合物的產(chǎn)生。

（3） 與傳統(tǒng)組元合金相比，高熵合金相關焊接接頭的主要強化形式為固溶強化，即在高熵效應、晶格畸變效應和遲滯擴散效應下，形成了以固溶體相為主的組織，從而提高接頭的力學性能；同時可以利用雞尾酒效應進行組織和性能上的調(diào)控。

（4） 高熵合金焊接接頭除了在室溫和高溫條件下具有良好的力學性能，也在低溫下也呈現(xiàn)了優(yōu)異的性能。

3 高熵合金涂層的焊接制備

高熵合金由于其混合熵高于合金整體熔化熵，一般會形成簡單固溶體相，具備顯微組織簡單化、不傾向于生成金屬間化合物、納米級析出物或非晶結(jié)構(gòu)等特征，具有高硬度、高強度、高耐蝕、高耐磨、高熱阻、耐高溫等特性[39-40]。正是由于高熵合金具備傳統(tǒng)合金所無法比擬的上述優(yōu)異性能，故利用傳統(tǒng)焊接熱源制備高熵合金涂層具有極為廣闊的應用前景。

目前，高熵合金涂層制備方法主要有磁控濺射技術(shù)[41-42]、熱噴涂技術(shù)[43-44]、氬弧熔覆技術(shù)、高能束熔覆技術(shù)等。磁控濺射技術(shù)所制備的高熵合金涂層較薄，無法滿足高強度的應用場合，且對基材有一定要求；熱噴涂技術(shù)制備的高熵合金涂層與基材的結(jié)合性較差；氬弧熔覆技術(shù)與高能束熔覆由于熔覆質(zhì)量較高，與基材可形成良好冶金結(jié)合且尺寸不受限等特點而成為制備高性能高熵合金涂層的新興方法[45]。

3.1 氬弧熔覆

氬弧熔覆技術(shù)與鎢極氬弧焊原理相同，采用鎢極電弧在氬氣保護下進行工作。由于鎢極的載流能力有限,電弧功率會受到限制，這一工藝特點恰好適用于材料的表面改性處理，制備耐磨、耐腐蝕或者耐高溫的涂層。氬弧熔覆獲得的涂層質(zhì)量較好，適合鋁、鈦、鎂等活性有色金屬以及不銹鋼等材料的表面改性[46]。

霍文燚等[47]探究了熔覆電流對AlCrFeCoNiCu高熵合金涂層顯微組織的影響。結(jié)果表明，不同熔覆電流制備的AlCrFeCoNiCu 高熵合金涂層均由枝晶組織、枝晶間組織、分布在枝晶間組織上的塊狀組織及少量細小析出物組成。隨著熔敷電流的增大，熱輸入增大，凝固速度降低，組織逐漸變得粗大，分解趨勢變大，而涂層中的細小析出物分布不均勻性也增大。在熔覆電流230 A 下制備的高熵合金涂層硬度最佳，這是由于熔覆電流較小時，涂層未充分熔化，表面硬度較低；而當熔覆電流過大時，基體劇烈熔化，涂層過度稀釋，且涂層組織過渡粗化（熱輸入過大），嚴重影響了涂層的硬度。

Huo 等[48]采用鎢極氬弧技術(shù)(TIG)在304 不銹鋼表面制備的CoCrFeMnNbNi 高熵合金涂層由樹枝狀Laves 相和枝晶間FCC 相組成。由于Laves 相脆硬性較大，有效避免了涂層表面發(fā)生嚴重塑性變形和剝離損傷行為，而FCC 固溶體由于塑性較好，可保護表面免于發(fā)生脆性斷裂，因此該涂層展現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性。

Fan 等[49]研究了基體中Fe 向氬弧熔覆AlCoCr-FeNi 高熵合金涂層內(nèi)溶解量（稀釋率）增加對涂層組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)相結(jié)構(gòu)由單一的等軸BCC相轉(zhuǎn)變?yōu)橛馉頕CC+BCC 混合相，最后變?yōu)镕CC相枝晶和BCC 枝晶間混合結(jié)構(gòu)。這是由于隨著Fe 含量的增加，合金的VEC 變大，從而增大FCC相的穩(wěn)定性，也導致涂層的顯微硬度和耐腐蝕性下降。Fan 等[50]還研究了超聲作用對氬弧熔覆AlCoCuFeNi 高熵合金涂層的影響。結(jié)果表明，在功率超聲的施加作用下，涂層組織產(chǎn)生細化，偏析現(xiàn)象消失，進而改善了涂層的顯微硬度和耐腐蝕性。這與在超聲對熔覆熔池產(chǎn)生的空化作用下，提高其流動速率和增加冷卻速率相關。

3.2 高能束熔覆

高能束熔覆是采用高能束（離子束及激光束）作為移動熱源在金屬材料表面快速熔覆一層耐磨、耐蝕、耐熱合金層的表面改性技術(shù)，由于熔覆層與基體成冶金結(jié)合，連接強度高，涂層組織均勻細小，具有良好的綜合性能，已經(jīng)成為表面改性研究的熱點。

等離子熔覆工藝簡單、污染少、效率高，但尺寸精度及成形件質(zhì)量較低。Cheng 等[51]研究了Nb元素的添加對CoCrCuFeNi 高熵合金涂層組織和性能的影響。結(jié)果表明，添加Nb 元素后，涂層組織由FCC 固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)?CoCr)Nb 類Laves 相與FCC固溶體相（圖6）。此外，CoNiCuFeCrNb 涂層的硬度及耐磨性顯著提高，且耐腐蝕性也優(yōu)于CoCrCuFeNi 涂層及304 不銹鋼。Lu 等[52]在Q235鋼表面制備了CrCuFexNiTi 高熵合金涂層，發(fā)現(xiàn)涂層的組織和性能從基體與涂層之間的界面向涂層頂部呈梯度變化，這時溫度分布、涂層成分分布均呈梯度規(guī)律，使從界面到頂部的混合熵值增加，而產(chǎn)生FCC 和BCC 相。這種梯度變化有利于應力的緩解。Wang 等[53]研究了Q235 鋼上制備的CoCrFeMnNi 和(CoCrFeMnNi)85Ti15高熵合金涂層的高溫摩擦磨損行為，其中(CoCrFeMnNi)85Ti15涂層的顯微硬度約為CoCrFeMnNi 涂層的6 倍。添加Ti 的涂層在400 ℃時展現(xiàn)出最佳的耐磨性，磨損率僅為4.08×10-6mm3·N-1·m-1，磨損機制為氧化磨損和接觸疲勞。Peng 等[54]研究了添加不同質(zhì)量分數(shù)WC 對等離子熔覆FeCoCrNi 高熵合金涂層組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著WC 質(zhì)量分數(shù)增加，涂層組織變得復雜。當WC 質(zhì)量分數(shù)高于60%時，涂層由WC 和FCC 相作為高熵基體，分布著Fe3W3C 碳化物和富Cr 第二相兩種析出相，其中Fe3W3C 碳化物能夠促進涂層的顯微硬度和耐磨性的提升。當質(zhì)量分數(shù)為60%時，涂層具有最佳的耐磨性，最小磨損率為3.27×10-7mm3·N-1·m-1和最大硬度值59.6HRC。

激光熔覆技術(shù)具有高能量密度、快熱快冷、對基材的熱影響較小、熔覆層粉末選擇范圍廣及稀釋率可控等特點，同時熔覆層組織具有均勻致密、微觀缺陷較少，與基材可形成良好冶金結(jié)合且尺寸不受限等優(yōu)勢，因此，有關激光熔覆高熵合金涂層的研究較多，主要集中于涂層的硬度與耐磨性、耐蝕性、耐高溫性及一些物理性能方面。

文獻[55-66]報道了近幾年采用激光熔覆制備的高熵合金涂層硬度及耐磨性方面的研究，如表2[55-66]所示。通過改變高熵合金成分配比[55-60]、添加微量合金化元素[61-63]或?qū)辖疬M行適當熱處理[64-66]是提高激光熔覆高熵合金涂層硬度和耐磨性的主要途徑。激光熔覆涂層之所以具有高硬度和高耐磨性，是由于以下幾個因素：（1）高熵合金中各主元原子半徑存在差異或某一主元的原子半徑和其他主元原子半徑差異較大，從而產(chǎn)生嚴重的晶格畸變，產(chǎn)生固溶強化作用；（2）高熵合金改變成分配比后導致BCC 固溶體相的增加，組織發(fā)生較大變化；（3）激光表面處理時快速熔化和凝固，導致了涂層內(nèi)晶粒比較細小。

表2 激光熔敷制備的具有高硬度和高耐磨性高熵合金涂層研究報道[55-66]Table 2 Literatures of HEA coating prepared by laser cladding with high microhardness and wear resistance[55-66]

當高熵合金含有Co, Ni, Cr, Al 等元素時，在HNO3、 H2SO4、 NaOH 和NaCl 等溶液介質(zhì)中表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性能。文獻[67-70]經(jīng)過研究，認為改變高熵合金成分有助于改善涂層的耐腐蝕性。文獻[71-72]指出，激光熔覆工藝參數(shù)對涂層的耐腐蝕性會產(chǎn)生一定影響。文獻[73-74]研究顯示，激光熔覆后表面超聲處理和3D 打印激光熔覆會獲得具有優(yōu)異耐腐蝕性能的高熵涂層。

高熵合金高溫下進行處理時，由于固溶體相的穩(wěn)定存在[75-76]，表現(xiàn)出較為優(yōu)異的高溫性質(zhì)。當向涂層中添加Al[57、77]、Cr[78-80]、Si[80]等合金元素時也能顯著提高其高溫抗氧化性。此外，文獻[81]采用激光熔敷制備的高熵合金涂層展現(xiàn)出了優(yōu)異的磁性能和電阻性能。

4 結(jié)束語

目前，高熵合金研究依然處于實驗室研究階段。很多成果尚未得到實際應用，這主要受其形成機理及其合金成分復雜性的影響，這也間接影響了高熵合金在焊接領域的應用。隨著對高熵合金相關機理的揭示及其制備工藝的不斷成熟，高熵合金在焊接領域的研究將會逐漸深入。根據(jù)上述已有研究成果，本文作者對高熵合金在焊接領域相關問題及研究趨勢概述如下：

（1）高熵合金在與同種或異種材料進行焊接時，接頭中產(chǎn)生的焊接缺陷，尤其是裂紋缺陷的形成機理依然有待進一步研究。另一方面，焊接工藝參數(shù)對接頭組織的轉(zhuǎn)變過程及性能產(chǎn)生的影響和接頭變形機理等尚不清楚。

（2）利用高熵合金作為填充材料進行異種材料焊接時，需要提出有效的高熵合金中間層成分的選取原則。此外，焊接異種材料時，應充分考慮兩側(cè)合金的熔化對填充層成分的稀釋，導致的焊縫內(nèi)組織不均勻，同時接頭母材與焊縫界面處成分偏離高熵成分，易于形成脆性化合物，相關研究鮮見報道。

（3）在高熵合金涂層方面，由于涂層和基材之間存在溫度梯度和物性參數(shù)差異，氬弧和高能束的局部加熱過程可能會導致高熵合金涂層出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷。同時高熵合金元素組成及配比、熔覆工藝參數(shù)、后續(xù)熱處理工藝對高熵合金涂層的組織和性能具有顯著影響，揭示這些關鍵因素的影響規(guī)律及其微觀機制是今后該領域的研究重點。