【摘 要】
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CrMnFeCoNi作为最早被开发出来的一种多组元、等原子比的高熵合金（HEA）,具有高的加工硬化率、塑性、断裂韧性、耐腐蚀性、低温韧性和强度,优异加工性能,高抗辐照性能等特点,是一种潜在的高性能结构材料。为进一步开发CrMnFeCoNi HEA的应用潜力,其焊接性需要深入研究,尤其与传统合金的连接。本文选取50Ag-Cu和72Ag-Cu两种合金作为钎料,对CrMnFeCoNi HEA与304不锈
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CrMnFeCoNi作为最早被开发出来的一种多组元、等原子比的高熵合金（HEA）,具有高的加工硬化率、塑性、断裂韧性、耐腐蚀性、低温韧性和强度,优异加工性能,高抗辐照性能等特点,是一种潜在的高性能结构材料。为进一步开发CrMnFeCoNi HEA的应用潜力,其焊接性需要深入研究,尤其与传统合金的连接。本文选取50Ag-Cu和72Ag-Cu两种合金作为钎料,对CrMnFeCoNi HEA与304不锈钢（304SS）的真空钎焊工艺、接头组织性能及连接机理进行了系统地研究。显微观察发现,50Ag-Cu钎料连接的所有接头中,液态钎料在高熵合金侧发生了晶间渗透,接头结构由CrMnFeCoNi HEA母材、渗透区、钎料层和304SS四部分构成;渗透区的显微硬度高于钎料和未被渗透的母材,热轧态CrMnFeCoNi HEA制备的异质接头的最大抗拉强度为434.7MPa。研究表明,晶界处的固-液界面能与晶界能间难以保持平衡是产生晶间渗透的根本原因。304SS与CrMnFeCoNi HEA化学成分的差别,尤其是Mn含量的差异,是渗透只出现于CrMnFeCoNi HEA侧的主要原因。Mn原子的剧烈扩散会减少固-液界面能和促进渗透行为;液态钎料的渗透程度取决于Cu原子在母材中的扩散程度,渗透区母材晶粒和晶界中大量的Cu原子也是该区域高硬度的主要原因。晶间渗透促进了母材与钎料间原子间包括钎料流动和化学势差引发的迁移。渗透系数计算结果表明,当钎焊温度为890℃,保温时间为1min时,渗透系数最高达到1.1×10-9m2/s;通过伪三元体系计算的Cu、Mn化学势结果表明,两种原子在渗透相和母材中具备扩散的条件。在一定条件下,渗透相中Mn元素的化学势差可达238.60～248.84k J/mol,CrMnFeCoNi HEA中Cu元素的化学势差可达56.80～59.19k J/mol,这是Mn原子表现出比Cu原子具有更强扩散能力的主要原因。晶间渗透受热输入和母材状态的影响,热输入的增加为晶间渗透提供更多能量,渗透过程更加剧烈;当母材经焊前退火处理后,母材中的渗透程度受到一定的抑制。晶间渗透是影响接头性能的主要因素。为进一步提高CrMnFeCoNi HEA/304SS接头的连接强度,通过减少钎料中的Cu含量和对CrMnFeCoNi HEA进行焊前热处理来调控晶间渗透。试验首先选择了厚度为0.1mm的72Ag-Cu钎料制备异质接头。由于组成钎料的元素种类没有改变,晶间渗透依然存在但程度显著减少。通过伪三元体系计算的Cu、Mn化学势结果表明,渗透相Cu元素的化学势差提高至123.73～136.73k J/mol。但由于钎料Cu含量的降低减少了Cu原子在母材中的扩散程度,导致72Ag-Cu钎料在880℃下的渗透系数(5.8×10-11 m2/s)也远低于50Ag-Cu钎料在870℃下的渗透系数(2.1×10-10 m2/s);在渗透相中Mn元素的化学势差下降至206.23～227.87k J/mol,说明Mn原子的扩散能力也被限制。力学性能试验表明,渗透区中显微硬度较之前的接头明显下降,成为一个低硬度钎料到高硬度母材的过渡区;渗透区中依然存在一定的焊接应力,72Ag-Cu钎料的强度本身的强度弱于50Ag-Cu钎料,导致对接头的拉伸强度的改善有限,最大抗拉强度为459.7MPa。钎焊前,对CrMnFeCoNi HEA在一系列温度进行1h退火处理,使用72Ag-Cu钎料在固定的工艺参数下连接退火态CrMnFeCoNi HEA与304SS。研究表明,随着焊前退火温度的升高,晶界密度下降、母材的内应力松弛,导致晶间渗透被逐步抑制,1200℃退火的CrMnFeCoNi HEA中只发现极少的晶间渗透。力学性能试验表明,显微硬度过渡区的宽度随晶间渗透的减少而收窄;900℃退火的CrMnFeCoNi HEA形成的异质接头连接强度（515.7MPa）高于1200℃退火的CrMnFeCoNi HEA制备的接头强度（316.2MPa）,证实了晶间渗透对接头的拉伸性能并非总是有害。渗透区的焊接应力主要来自渗透钎料对晶粒长大的阻碍。CrMnFeCoNi HEA与钎料之间直接的相互迁移十分有限,进入钎料中母材原子主要来源于溶解的母材。在调控晶间渗透时,需要考虑焊接内应力、原子迁移和固-液接触面积等因素。同时,改变钎料组分和对CrMnFeCoNi HEA待焊表面进行改性,也可进一步改善CrMnFeCoNi HEA/304SS异质接头的性能.
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