張成聰，余麗玲，王玉華，常保華，Amir Shirzadi,4，吳開明

(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，臺灣國立清華大學(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，比如其微觀結(jié)構(gòu)為簡單固溶體、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，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了很大的挑戰(zhàn).比如當(dāng)兩種材料化學(xué)不相容時，會產(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，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)者針對這一新的方向已開展了部分研究，取得了一些研究成果.文中總結(jié)了國內(nèi)外利用高熵合金四大效應(yīng)開發(fā)焊接材料和工藝的研究現(xiàn)狀及存在的問題，并對未來發(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，各組成元素自由無序地分布，形成了簡單的無基元固溶體，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)材料焊接過程中，當(dāng)兩種材料化學(xué)不相容時，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)鍵問題[13–15].

對于易產(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/鋼電阻點焊中間層設(shè)計思路.以等摩爾合金Ti-Fe-Cu-Ni-Al 為基點，通過調(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，形成簡單固溶體的TA2/Q235 電阻點焊接頭組織.同樣TA1/Fe5Co24Ni27Cu25Cr19/0Cr18Ni9的儲能焊熔核也實現(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，在兩者之間加一個高熵合金的中間層，其對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)釬焊時間超過90 min 后，界面處會形成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，釬縫中的反應(yīng)產(chǎn)物受到釬料成分、釬焊溫度和時間等參數(shù)的綜合影響，在形成固溶體組織的同時還常常會形成化合物相，尚不能完全實現(xiàn)釬縫的高熵化.

1.1.3 熔化焊

在異種材料的熔化焊過程中，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，在焊接過程中，熔池金屬如同一個高熵化的緩和區(qū)，同時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 系高熵合金實現(xiàn)了TA2/Q235 和TA2/0Cr18Ni9 的TIG熔化焊，通過正交試驗得出了優(yōu)化的焊材成分，焊縫均形成簡單固溶體.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)母材界面處常常會形成金屬間化合物，同樣難以完全實現(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]通過激光熔覆FeCrCoNiSiB 高熵合金粉末手段，在低碳鋼上成功實現(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，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基元的固溶體中，各原子周圍都分布著其它不同種類的原子，而不同種類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)度較低的低熔點相組成.如果采用高熵合金作為釬料，或者實現(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 動力學(xué)上的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)

動力學(xué)上的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)是指多種不同類型的原子擴(kuò)散會造成晶格勢能波動范圍加大，從而產(chǎn)生很多可作為“陷阱”的低晶格勢能的晶格間隙，這些“陷阱”能有效地阻礙原子運動.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Cu/HEA/304SS 進(jìn)行真空擴(kuò)散連接時，界面形成了連續(xù)的濃度梯度.但是對Cu/HEA/Ti進(jìn)行真空擴(kuò)散連接時，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)散形成多個平臺，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)，高熵合金在凝固過程中元素的遷移和擴(kuò)散很慢，阻礙了晶粒的形核和長大.當(dāng)作為釬料時，可以防止母材和釬料的過渡溶解，減少界面處有害相的生成[30].另外由于合金元素在凝固過程中的遷移和擴(kuò)散很慢，阻礙了晶粒的形核和長大，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，焊點處常常在很低的載荷下產(chǎn)生破壞.為解決這一問題，在焊點處形成韌性的多主元合金反應(yīng)層是一個重要的的思路.

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，會產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，而不僅僅是各相性能的簡單混合疊加[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BCC 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，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 目前存在的問題

利用焊縫高熵化的思路來解決異質(zhì)材料焊接所存在的問題，國內(nèi)外已初步開展了一些工作，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，存在如下幾個主要問題.

(1)由于所采用的高熵合金填料對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稱性.對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，焊縫常常不能實現(xiàn)完全的高熵化.

(2)采用高熵合金填料焊接過程中，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，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也主要依賴經(jīng)驗，大多選擇等摩爾比的成分.對于作為焊接填料的成分選擇和設(shè)計準(zhǔn)則，尚無清晰的認(rèn)識和理論的指導(dǎo).

3 未來研究展望

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)出獨特的應(yīng)用價值，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重要思路，文中結(jié)合已有研究成果，對該方向未來發(fā)展給出以下幾點建議.

(1)考慮到母材的溶解對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)計提供理論依據(jù).

(2)系統(tǒng)開展不同材料組合、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)計準(zhǔn)則.

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

(4)在高熵合金填料成分設(shè)計過程中，綜合考慮焊接方法的不同和焊接工藝參數(shù)的波動，以及接頭服役性能的不同對焊縫高熵化的影響，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發(fā)，對相的類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，將高熵合金作為異質(zhì)材料構(gòu)件的過渡層，以避免產(chǎn)生金屬間化合物和緩釋殘余應(yīng)力，也是未來重要的研究方向.目前相關(guān)報道較少，應(yīng)盡快開展基于高熵合金過渡層的異質(zhì)材料構(gòu)件增材制造技術(shù)的研究.