CN109955004A

CN109955004A - 一种用于焊接的高熵合金材料及应用

Info

Publication number: CN109955004A
Application number: CN201910359385.3A
Authority: CN
Inventors: 冯凯; 李铸国; 王志远; 韩帛伦
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2019-07-02

Abstract

本发明公开了一种用于焊接的高熵合金材料及其焊接方法，涉及焊接材料领域，包括Cr、Mn、Fe、Co、Ni元素；本发明还公开了一种使用该CrMnFeCoNi高熵合金材料制备的焊材对金属进行焊接的方法，包括母材准备、焊接准备、焊接、后期处理。本发明提供的CrMnFeCoNi高熵合金材料，在高温条件下具有较强的“扩散阻滞效应”及“高熵效应”，能够有效避免焊接区域产生脆性金属间化合物，提高焊接结构的力学性能，且合金成本低，焊材形状能够适应复杂多变的焊缝形貌需求，适用性广、使用方便、高效。

Description

一种用于焊接的高熵合金材料及应用

技术领域

本发明涉及焊接材料及应用领域，尤其涉及一种用于焊接的高熵合金材料及应用。

背景技术

金属材料的焊接广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、核电等领域，是诸多装备制造过程中必不可少的关键环节。然而，焊接接头，尤其是某些异种材料的焊接接头，由于材料中元素组分在熔化及加热过程中的互扩散，极易在焊接接头区域产生脆性金属间化合物相，从而导致焊接接头及整体结构力学性能急剧下降，极大地限制了熔化焊接的工程应用。目前，采用与焊接对象不同的金属材料作为隔离层，杜绝焊接材料的直接接触，是实现异种材料高质量焊接的有效方法之一。

高熵合金(High Entropy Alloy，HEA)是多主元合金的一个分支，意为五种及以上元素组成的单相合金，其概念首先于2004年被提出。在高熵合金中，多种原子的半径差异，使合金内部存在极大的晶格畸变，导致原子的扩散极为困难，此所谓“扩散阻滞效应”。同时，多主元带来的高形成熵使得合金趋向于形成单一相，一般为体心立方(BCC)或面心立方(FCC)结构，此所谓“高熵效应”。除了“扩散阻滞效应”和“高熵效应”，高熵合金中还存在“鸡尾酒效应”和“晶格畸变效应”。上述四种核心效应，共同决定了高熵合金相对于传统金属材料的巨大差别。

使用高熵合金作为焊接材料是近年来国内研究热点之一。中国专利CN104476010A公开了可用于TIG焊钛/不锈钢的TiFeCrCuNi体系高熵合金焊丝，中国专利CN108161278A公开了FeAlCoCrNiCu、FeMgCrNiCu、FeAlCoCrNiCu、FeTiCoCrNiCu等多种体系的高熵合金焊丝，可分别用于铝-钢MIG焊、镁-钢MIG焊、铝-钢埋弧焊、钛-钢MIG焊等异种材料焊接，实现了焊缝的高熵化，能得到具有优良强度的焊缝。但这些发明中的合金大都为单相BCC结构，韧性、延伸率较FCC略差；且仅将合金制成焊丝形式，无法适应焊缝形貌复杂多变的焊接需求。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种既能进一步提高焊接结构的力学性能，又能够适应复杂多变的焊缝形貌需求的焊接用高熵合金材料及其应用方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是进一步提高焊接结构的力学性能，且使焊材能够满足复杂多变的焊缝形貌需求。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于焊接的高熵合金材料，包括Cr、Mn、Fe、Co、Ni元素，原子百分比为：Cr10～30％，Mn10～30％，Fe10～30％，Co10～30％，Ni10～30％，所述原子百分比之和为100％。

进一步地，所述高熵合金材料的形状包括粉末状、焊丝、薄片状。

进一步地，所述粉末状焊材的粒径为10～200μm，所述焊丝的直径为1～5mm，所述薄片状焊材的厚度为0.1～5mm。

本发明还提供了一种使用上述用于焊接的高熵合金材料的焊接方法，包括以下步骤：

1)母材准备：对所需焊接的材料进行预处理，确定焊接处，并清理焊接处至洁净、光滑，去除杂质；

2)焊接准备：搭建热源系统，并联送料系统；

3)焊接：使用所述热源系统对焊接处进行焊接，同时所述送料系统将所述高熵合金材料送入熔池，使其与焊接处熔化并结合；

4)后期处理：待所述焊接处冷却后，进行打磨、抛光。

进一步地，所述母材包括第一母材和第二母材，所述第一母材和第二母材可以是同种金属或异种金属。

进一步地，当所述高熵合金材料为粉末状或焊丝时，步骤1)中所述焊接处为V字形坡口。

进一步地，当所述高熵合金材料为薄片状时，步骤1)中所述焊接处为所述第一母材和所述第二母材的对接面，所述对接面间有间隔。

进一步地，步骤2)中的所述热源系统包括但不限于激光器、电弧。

进一步地，当所述高熵合金材料为粉末状或焊丝时，通过工业机器人搭载所述激光器，以给定路径扫描所述焊接处，所述送料系统包括送粉系统、送丝系统。

进一步地，当所述高熵合金材料为薄片状时，所述高熵合金材料夹装在所述间隔内，所述高熵合金材料的厚度等于所述间隔的距离。

与现有技术相比，本发明提供的一种用于焊接的高熵合金材料至少具有以下有益的技术效果：

(1)CrMnFeCoNi高熵合金材料中Cr、Mn、Fe、Co、Ni元素的合理配比，使合金具有明显的“高熵效应”及“扩散阻滞效应”，抑制焊接过程中的原子扩散，尤其是异种金属材料在焊接过程中的原子扩散，从而有效抑制脆性金属间化合物的形成，提高焊接结构的力学性能。

(2)CrMnFeCoNi高熵合金材料具有单相FCC结构，“高熵效应”促使可能熔进焊接熔化区的母材结构被同化为单相FCC结构，进一步抑制了各种中间脆性相的产生，且FCC结构具有较多的滑移面，有效地提高了焊接结构的韧性。

(3)合金成本低，焊材可制成任意形状，能够适应复杂多变的焊缝形貌需求，适用性广、使用方便、高效。

以下将结合附图对本发明的构思、具体应用方法及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的焊丝对金属进行焊接的示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的粉末状焊材的光学显微图片；

图3是本发明的一个较佳实施例的粉末状焊材对金属进行焊接的示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的薄片状焊材对金属进行焊接的安装示意图。

其中，1-第一母材，2-第二母材，3-坡口，4-激光束，5-送丝系统，6-焊丝，7-送粉系统，8-粉末态焊材，9-薄片状焊材。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明提供了一种用于焊接的高熵合金材料，可用于同种或异种金属间的焊接，包括Cr、Mn、Fe、Co、Ni元素，原子百分比为：Cr10～30％，Mn10～30％，Fe10～30％，Co10～30％，Ni10～30％，其原子百分比之和为100％。在焊接时，根据不同的工艺要求，高熵合金材料的形状包括粉末状、焊丝、薄片状。粉末状焊材的粒径为10～200μm，焊丝的直径为1～5mm，薄片状焊材的厚度为0.1～5mm。

2)焊接准备：搭建热源系统，并联送料系统；

4)后期处理：待所述焊接处冷却后，进行打磨、抛光。

实施例1

本实施例采用直径1.5mm的焊丝对不锈钢-铝进行焊接，即不锈钢为第一母材1，铝为第二母材2，焊丝6为CrMnFeCoNi高熵合金材料，原子摩尔百分比为：20％Cr、10％Mn、20％Fe、30％Co及20％Ni，如图1所示，其焊接步骤如下：

1)母材准备：根据焊接工艺对对接面的要求，将第一母材1和第二母材2开坡口处理，使第一对接面与第二对接面拼接形成顶角为60°的V字形坡口3，将坡口3打磨光滑、清洁干净，保证对接面无杂质；

2)焊接准备：在氩气保护下采用工业机器人搭载激光器，并联送丝系统5，将焊丝6填入送丝系统5中；

3)焊接：按照扫描速度1300mm/s，激光功率1.6kW，激光光斑直径2mm的激光参数，以给定路径扫描焊接；同时利用送丝系统5将焊丝6送入熔池中，使焊丝6与坡口3熔化并紧密结合；

4)后期处理：待焊接区域冷却后，进行打磨、抛光至满足需求。

实施例2

本实施例采用直径1.5mm的焊丝对不锈钢-钛进行焊接，即不锈钢为第一母材1，钛为第二母材2，焊丝6为CrMnFeCoNi高熵合金材料，原子摩尔百分比为：20％Cr、30％Mn、20％Fe、10％Co及20％Ni，如图1所示，其焊接步骤如下：

3)焊接：按照扫描速度900mm/s，激光功率3.2kW，激光光斑直径2mm的激光参数，以给定路径扫描焊接；同时利用送丝系统5将焊丝6送入熔池中，使焊丝6与坡口3熔化并紧密结合；

实施例3

本实施例采用粒径在10～200μm的粉末状焊材对不锈钢-钛进行焊接，即不锈钢为第一母材1，钛为第二母材2，粉末状焊材8为CrMnFeCoNi高熵合金材料，原子摩尔百分比为：20％Cr、20％Mn、20％Fe、20％Co及20％Ni，如图3所示，其焊接步骤如下：

2)焊接准备：在氩气保护下采用工业机器人搭载激光器，并联送粉系统7，将烘干后的粉末状焊材8填入送粉系统7中；

3)焊接：按照扫描速度为900mm/s，激光功率为3.2kW，激光光斑直径为2mm的激光参数，以给定路径扫描坡口3处的焊缝；同时利用送粉系统7将粉末状焊材8送入熔池中，使粉末状焊材8与坡口3熔化并紧密结合；

实施例4

本实施例采用粒径在10～200μm的粉末状焊材对不锈钢-铝进行焊接，即不锈钢为第一母材1，铝为第二母材2，粉末态焊材8为CrMnFeCoNi高熵合金材料，原子摩尔百分比为：30％Cr、20％Mn、20％Fe、20％Co及10％Ni，如图3所示，其焊接步骤如下：

3)焊接：按照扫描速度为1300mm/s，激光功率为1.6kW，激光光斑直径为2mm的激光参数，以给定路径扫描坡口3处的焊缝，同时利用送粉系统7将粉末状焊材8送入熔池中，使粉末状焊材8与坡口3熔化并紧密结合；

实施例5

本实施例采用厚0.2mm的薄片状焊材对不锈钢-钛进行焊接，即不锈钢为第一母材1，钛为第二母材2，薄片状焊材9为CrMnFeCoNi高熵合金材料，原子摩尔百分比为：10％Cr、20％Mn、20％Fe、20％Co及30％Ni，如图4所示，其焊接步骤如下：

1)母材准备：将第一对接面与第二对接面打磨光滑、清洁干净，保证所述对接面无杂质，第一对接面与第二对接面的夹角为0°并间隔0.2mm的距离；

2)焊接准备：烘干薄片状焊材9，并将薄片状焊材9夹装在第一对接面与第二对接面中间；

3)焊接：在氩气保护下采用工业机器人搭载激光器，按照扫描速度为900mm/s，激光功率为3.2W，激光光斑直径为2mm的参数，以给定路径扫描薄片状焊材9的位置，使得薄片状焊材9与第一对接面和第二对接面熔化并紧密结合；

实施例6

本实施例采用厚0.2mm的薄片对不锈钢-铝进行焊接，即不锈钢为第一母材1，铝为第二母材2，薄片状焊材9为CrMnFeCoNi高熵合金材料，原子摩尔百分比为：10％Cr、20％Mn、20％Fe、20％Co及30％Ni，如图4所示，其焊接步骤如下：

1)母材准备：将第一对接面与第二对接面打磨光滑、清洁干净，保证所述对接面无杂质，第一对接面与第二对接面的夹角为0°，并间隔0.2mm的距离；

3)焊接：在氩气保护下采用工业机器人搭载激光器，按照扫描速度为1300mm/s，激光功率为1.6W，激光光斑直径为2mm的参数，以给定路径扫描薄片状焊材9的位置，使得薄片状焊材9与第一对接面和第二对接面熔化并紧密结合；

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种用于焊接的高熵合金材料，其特征在于，包括Cr、Mn、Fe、Co、Ni元素，原子百分比为：Cr10～30％，Mn10～30％，Fe10～30％，Co10～30％，Ni10～30％，所述原子百分比之和为100％。

2.如权利要求1所述的用于焊接的高熵合金材料，其特征在于，所述高熵合金材料的形状包括粉末状、焊丝、薄片状。

3.如权利要求2所述的用于焊接的高熵合金材料，其特征在于，所述粉末状焊材的粒径为10～200μm，所述焊丝的直径为1～5mm，所述薄片状焊材的厚度为0.1～5mm。

4.一种使用权利要求1～3任意一项的用于焊接的高熵合金材料的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)焊接准备：搭建热源系统，并联送料系统；

4)后期处理：待所述焊接处冷却后，进行打磨、抛光。

5.如权利要求4所述的用于焊接的高熵合金材料的焊接方法，其特征在于，所述母材包括第一母材和第二母材，所述第一母材和第二母材可以是同种金属或异种金属。

6.如权利要求4所述的用于焊接的高熵合金材料的焊接方法，其特征在于，当所述高熵合金材料为粉末状或焊丝时，步骤1)中所述焊接处为V字形坡口。

7.如权利要求5所述的用于焊接的高熵合金材料的焊接方法，其特征在于，当所述高熵合金材料为薄片状时，步骤1)中所述焊接处为所述第一母材和所述第二母材的对接面，所述对接面间有间隔。

8.如权利要求4所述的用于焊接的高熵合金材料的焊接方法，其特征在于，步骤2)中的所述热源系统包括但不限于激光器、电弧。

9.如权利要求8所述的用于焊接的高熵合金材料的焊接方法，其特征在于，当所述高熵合金材料为粉末状或焊丝时，通过工业机器人搭载所述激光器，以给定路径扫描所述焊接处，所述送料系统包括送粉系统、送丝系统。

10.如权利要求7所述的用于焊接的高熵合金材料的焊接方法，其特征在于，当所述高熵合金材料为薄片状时，所述高熵合金材料夹装在所述间隔内，所述高熵合金材料的厚度等于所述间隔的距离。