田啟超, 趙陽(yáng), 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 前言

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(chǎng)、地?zé)岚l(fā)電廠(chǎng)和核電廠(chǎng)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]。 Al0.1-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(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(guò)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(jiàn)的各種焊接缺陷,例如氣孔和裂紋[21-22]。然而,爆炸焊接過(guò)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(guān)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(méi)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(kāi)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(guān)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(lái)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(guò)程示意圖

將爆炸焊接后的Cu/HEA復(fù)合材料沿爆炸焊接方向切開(kāi)觀(guān)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(guān)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(guān)結(jié)構(gòu)

Cu/Al0.1CoCrFeNi高熵合金復(fù)合板通過(guò)爆炸焊接工藝成功制造。通過(guò)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(guān)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(guò)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(shuō)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(xiàn)紅色圓圈所示)。 如圖2a所示,類(lèi)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(wú)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(jì)

圖4 不同截面波形統(tǒng)計(jì)

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(xiàn)掃描,結(jié)果表明過(guò)渡層厚度小于2 μm,因此兩種材料在爆炸焊接過(guò)程中并未發(fā)生大規(guī)模熔化[29]。

圖5 線(xiàn)掃描路徑及波峰處的熔化區(qū)

為了進(jìn)一步研究Cu/Al0.1CoCrFeNi高熵合金界面處的微觀(guān)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(xiàn)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(xiàn)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), %)

圖6 EBSD測(cè)試區(qū)域和元素測(cè)試點(diǎn)

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(xiàn)掃描的元素分布

圖5為銅側(cè)區(qū)域1的微觀(guān)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(guò)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(guò)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(guān)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%。

圖11 不同區(qū)域下EBSD結(jié)果

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(guān)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(guò)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。

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(guò)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(jiàn)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(yàn)的測(cè)試結(jié)果

圖14 焊接界面的微觀(guān)形貌

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A(yíng)l0.1CoCrFeNi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.