田啟超, 趙陽, 楊明, 馬宏昊, 3, 沈兆武, 任志強

(1. 中國科學技術大學, 中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室, 合肥 230027;2. 陸軍裝甲兵學院, 裝備再制造技術國防科技重點實驗室, 北京 100072;3. 中國科學技術大學, 火災科學國家重點實驗室, 合肥 230027)

0 前言

由多個主要元素構(gòu)成的高熵合金(High entropy alloys, HEA)在設計具有出色性能的材料時具有極大的靈活性,被認可為航空、生物醫(yī)學、原子能領域的潛在結(jié)構(gòu)和功能材料[1-3]。 AlxCoCrFeNi高熵合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學和電化學性能已被進行了詳細研究[4-5]。 AlxCoCrFeNi高熵合金在超臨界熱電廠、地熱發(fā)電廠和核電廠具有極大的應用前景[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]。 Al0.1-CoCrFeNi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]。

高熵合金的工程應用關鍵在于焊接技術的研究[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研究,但其有關固態(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,其中兩個相對的工件通過炸藥能量的加速作用在高速碰撞下進行結(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動導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,對于高熵合金的潛在應用至關重要。文中對爆炸焊接接頭進行精細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爆炸焊接復合材料,而且為其它成分高熵合金的爆炸焊接提供了基礎。

1 試驗方法

文中所用的Al0.1CoCrFeNi高熵合金由感應熔煉制備。 將鑄錠切割成尺寸為50 mm×16 mm×2 mm的板狀,并進行表面拋光,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)進行爆炸焊接,如圖1所示,使用的炸藥是由質(zhì)量分數(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)量分數(shù))。 將乳化基質(zhì)放入厚度為8 mm,六邊形胞格(邊長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

將爆炸焊接后的Cu/HEA復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型測試儀在最大負載 15 mN和穩(wěn)定負載速度500 μN/s下進行納米壓痕測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 界面形貌和微觀結(jié)構(gòu)

Cu/Al0.1CoCrFeNi高熵合金復合板通過爆炸焊接工藝成功制造。通過SEM技術在貫穿波形區(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足夠高以熔化材料并導致形成熔化區(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)波動變化(圖3)。 從法向截面和縱向截面測得的波長參數(shù)分別約為94 μm和89 μm,統(tǒng)計得到的波長無明顯不同(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

圖3 沿著縱向的波形參數(shù)統(tǒng)計

圖4 不同截面波形統(tǒng)計

2.2 界面區(qū)域性特征

為了分析界面結(jié)合,使用EDS對圖5所示位置進行了線掃描,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)

為了進一步研究Cu/Al0.1CoCrFeNi高熵合金界面處的微觀結(jié)構(gòu),進行了EBSD測試,EBSD測試區(qū)域在圖6中用白色虛線框標出。圖5和圖7顯示了元素分布的測試區(qū)域,其中面掃描結(jié)果分別顯示在圖8和圖9中。 面掃描和線掃描對應位置的元素測試結(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)量分數(shù), %)

圖6 EBSD測試區(qū)域和元素測試點

圖7 波谷處的熔化區(qū)

圖8 波峰處的元素分布

圖9 波谷處的元素分布

圖10 線掃描的元素分布

圖5為銅側(cè)區(qū)域1的微觀結(jié)構(gòu),可以發(fā)現(xiàn)遠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。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。相對于波前位置,波后區(qū)域銅片的嚴重變形層很薄,由微帶以及沿界面拉長的扁平晶粒組成。隨著距界面的距離增加,應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)的伸長區(qū)由細長晶粒組成,這些扁平的晶粒強烈彎曲,并沿著波形趨勢分布。 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%。

圖11 不同區(qū)域下EBSD結(jié)果

扁平晶粒的尺寸相對原理界面銅晶粒的尺寸因變形和動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生了細化[33]。 在旋渦中觀察到的最典型特征是形成細晶區(qū)域,該細層由直徑小于5 μm的細等軸晶粒組成(圖11d)。由于爆炸焊接高速碰撞過程中引起的高溫會在界面產(chǎn)生溫度梯度,因此在嚴重變形的旋渦區(qū)可能會出現(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。

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,沿著爆炸焊接方向進行了納米壓痕試驗測試,并與顯微硬度測試結(jié)果進行了對比。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,對嚴重變形的層中動態(tài)恢復和再結(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[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12 爆炸焊接界面的法向截面特征

圖13 納米壓痕試驗的測試結(jié)果

圖14 焊接界面的微觀形貌

3 結(jié)論

(1)Al0.1CoCrFeNi/Cu復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)材料復合界面中脆性金屬間化合物引起的裂紋。

(2)Al0.1CoCrFeNi/Cu復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)具有拉長的晶粒,旋渦區(qū)具有再結(jié)晶的等軸細晶。隨著晶粒變形程度的增加,相應區(qū)域細晶的比例隨之增加。

(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.