CN113453838A - 多材料部件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种通过高熵合金接合的多材料部件，以及通过用高熵合金接合材料来制造多材料部件以减少或消除液态金属脆化(LME)裂纹的方法。

Description

多材料部件及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请为2017年7月26日提交的标题为“MULTI-MATERIAL COMPONENT ANDMETHODS OF MAKING THEREOF”的美国专利申请序列号15/660,025的部分继续申请，后者要求2016年8月4日提交的标题为“MULTI-MATERIAL COMPONENT AND METHODS OF MAKINGTHEREOF,AND A CONSUMABLE WELDING FILLER AND METHODS OF MAKING AND USINGTHEREOF”的美国临时专利申请序列号62/371,032、2016年9月16日提交的标题为“MULTI-MATERIAL COMPONENT AND METHODS OF MAKING THEREOF,AND ACONSUMABLE WELDINGFILLER AND METHODS OF MAKING AND USING THEREOF”的美国临时专利申请序列号62/395,790和2017年6月27日提交的标题为“MULTI-MATERIAL COMPONENT AND METHODS OFMAKING THEREOF”的美国临时专利申请序列号62/525,314的权益。本申请还要求2019年2月7日提交的标题为“MULTI-MATERIAL COMPONENT AND METHODS OF MAKING THEREOF”的美国临时专利申请序列号62/802,556、2019年4月12日提交的标题为“MULTI-MATERIALCOMPONENT AND METHODS OF MAKING THEREOF”的美国临时专利申请序列号62/833,435和2019年11月8日提交的标题为“MULTI-MATERIAL COMPONENT AND METHODS OF MAKINGTHEREOF”的美国临时专利申请序列号62/933,076的权益。每个上述申请的公开内容通过引用并入本文。

背景技术

对于减轻车辆质量来说，一个有吸引力的选择是将机动车辆中使用的低碳钢或其他类型的钢替换为轻质金属或金属合金。然而，车身结构的其他部分经常由异种材料制成。由于两种不同金属之间的物理和冶金性质的差异而使得异种材料的接合可能成问题。例如，将铝或铝基合金接合至钢可能导致形成金属间化合物，该金属间化合物使接头的机械性质劣化并导致腐蚀问题，因此需要附加的制造步骤或防护措施来防止机械强度退化和电偶腐蚀。

另外，当使用电阻点焊来将具有含锌(Zn)涂层的铁或钢部分如镀锌和/或镀锌退火的铁或钢接合至其他铁或钢部分和/或至异种材料时，涂层的低熔点以及由焊接电极施加的载荷可能会导致Zn向铁和/或钢中的扩散，从而导致液态金属脆化(LME)开裂。

发明内容

总的来说，提供了一种可用于接合异种或相似金属或金属合金的高熵合金(HEA)，其中所述金属或金属合金中的一种或多种包含具有涂层的铁和/或钢，其中所述涂层包含Zn(或者在本文中称为“Zn涂层”)。根据一些方面，Zn涂层可为金属或金属合金涂层，其包含超过约50重量/重量％的金属或金属合金，任选地超过约75重量/重量％、任选地超过约90重量/重量％、任选地超过约95重量/重量％、任选地超过约99重量/重量％。根据一些方面，Zn涂层可由金属或金属合金组成。根据一些方面，Zn涂层可对应于已经镀锌和/或镀锌退火的材料涂层。根据一些方面，提供了一种HEA，其可用于将具有Zn涂层的第一铁和/或钢与任选地具有Zn涂层的第二铁和/或钢接合，和/或用于将具有Zn涂层的第一铁和/或钢与另一金属或金属合金接合。高熵合金将促进固溶体的形成并抑制金属间化合物，尤其是在高温下。因此，高熵合金提供了用于接合异种材料的焊接接头的机械强度和耐腐蚀性。在电阻点焊过程中，高熵合金可额外地或替代地减少锌向铁和/或钢中的扩散，这可减少或消除LME开裂。

根据一个实施方案，提供了一种多材料部件，其包括：包含金属或金属合金、特别是具有Zn涂层的铁和/或钢的第一构件；包含金属或金属合金的第二构件，其可为或可不为具有Zn涂层的铁和/或钢；和将第一构件接合至第二构件的第三构件。第三构件包含高熵合金。任选地，第一构件的金属或金属合金不同于第二构件的金属或金属合金。任选地，高熵合金包含与第一构件的金属或基本金属相同的第一主要元素。任选地，高熵合金包含与第二构件的金属或基本金属相同的第二主要元素。任选地，第一构件包含铝合金而第二构件包含钢。任选地，第一构件和/或第二构件各自独立地包含具有Zn涂层的铁和/或钢，并且多材料部件基本上没有LME开裂。

任选地，高熵合金包含Al和Fe作为主要元素。任选地，高熵合金包含Al、Fe和Mn作为主要元素。任选地，高熵合金包含至少Fe作为主要元素。任选地，高熵合金包含至少Mn作为主要元素。任选地，高熵合金包含至少Ni作为主要元素。任选地，高熵合金包含至少Co作为主要元素。任选地，高熵合金包含至少Zn作为主要元素。任选地，高熵合金包含至少Cu作为主要元素。任选地，高熵合金包含至少Cr作为主要元素。

任选地，高熵合金包含四种主要元素。任选地，高熵合金包含五种主要元素。任选地，高熵合金包含六种主要元素。任选地，高熵合金包含七种或更多种主要元素。根据一些方面，主要元素中的一种或多种可以是主要的微量元素。任选地，高熵合金包含五种或更多种主要元素，包括：Al、Fe、Mn、Cr和Ni。任选地，高熵合金包含四种或更多种主要元素，包括Cu、Co和/或Zn。任选地，高熵合金包含五种、六种、七种或更多种主要元素，包括Cu、Co和/或Zn。任选地，高熵合金包含至少四种选自Fe、Mn、Ni、Co、Cu和Cr的主要的主量元素及任选地Zn作为第五主要元素，该第五主要元素可作为主要的主量元素或主要的微量元素存在。

根据一个实施方案，提供了一种制造多材料部件的方法，其包括：提供如本文所述包含金属或金属合金的第一构件；提供如本文所述包含金属或金属合金的第二构件；将第三构件定位为至少部分地在第一构件与第二构件之间；和将第一构件和第二构件接合至第三构件。第三构件包含高熵合金。任选地，通过焊接将第一构件和第二构件接合至第三构件。任选地，第一构件的金属或金属合金不同于第二构件的金属或金属合金。任选地，高熵合金包含与第一构件的金属或基本金属相同的第一主要元素。任选地，高熵合金包含与第二构件的金属或基本金属相同的第二主要元素。任选地，第一构件包含铝合金而第二构件包含钢。任选地，第一构件包含具有Zn涂层的铁和/或钢。任选地，第二构件包含铁和/或钢，任选地具有Zn涂层，其中所述第二构件由与第一构件相同的材料形成或由与第一构件不同的材料形成。

任选地，高熵合金包含Al和Fe作为主要元素。任选地，高熵合金包含Al、Fe和Mn作为主要元素。任选地，高熵合金包含至少Fe作为主要元素。任选地，高熵合金包含至少Mn作为主要元素。任选地，高熵合金包含至少Ni作为主要元素。任选地，高熵合金包含至少Co作为主要元素。任选地，高熵合金包含至少Zn作为主要元素。任选地，高熵合金包含至少Cu作为主要元素。任选地，高熵合金包含至少Cr作为主要元素。

任选地，高熵合金包含四种主要元素。任选地，高熵合金包含五种主要元素。任选地，高熵合金包含六种主要元素。任选地，高熵合金包含七种或更多种主要元素。根据一些方面，主要元素中的一种或多种可以是主要的微量元素。任选地，高熵合金包含五种或更多种主要元素，包括：Al、Fe、Mn、Cr和Ni。任选地，高熵合金包含至少四种选自Fe、Mn、Ni、Co、Cu和Cr的主要的主量元素及任选的Zn作为第五主要元素，该第五主要元素可作为主要的主量元素或主要的微量元素存在。

根据一个实施方案，提供了一种制造多材料部件的方法，其包括：提供如本文所述包含金属或金属合金的第一构件；提供如本文所述包含金属或金属合金的第二构件；和用包含如本文所述的高熵合金或在熔化时将形成如本文所述的高熵合金的高熵合金前体组合物的材料将第一构件接合至第二构件。接合步骤可包括用所述材料将第一构件焊接至第二构件，或者将所述材料熔覆在第一构件和第二构件上。任选地，第一构件的金属或金属合金不同于第二构件的金属或金属合金。任选地，高熵合金包含与第一构件的金属或基本金属相同的第一主要元素。任选地，高熵合金包含与第二构件的金属或基本金属相同的第二主要元素。任选地，第一构件包含铝合金而第二构件包含钢。任选地，第一构件包含具有Zn涂层的铁和/或钢。任选地，第二构件包含铁和/或钢，任选地具有Zn涂层，其中所述第二构件由与第一构件相同的材料形成或由与第一构件不同的材料形成。

根据一个实施方案，提供了一种焊接耗材，其包括填料材料，该填料材料包含如本文所述的高熵合金或在焊接时能够形成如本文所述的高熵合金的高熵合金前体组合物。

根据一个实施方案，提供了一种多材料部件，其包括：包含如本文所述的金属或金属合金的第一构件；包含如本文所述的金属或金属合金的第二构件，所述金属或金属合金包括如本文所述的具有Zn涂层的金属或金属合金，其中第二构件包含与第一构件的金属或金属合金相同或不同的如本文所述的金属或金属合金；和将第一构件接合至第二构件的第三构件，其中所述第三构件包含高熵合金。任选地，所述高熵合金可具有大于1.3R的混合熵，并且任选地可具有大于1.5R的混合熵。

任选地，如上所述的高熵合金包含至少四种元素，其各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中。任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少四种元素中的两种包括Fe和Cr并且Fe和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少四种元素中的两种包括Fe和Ni并且Fe和Ni的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少四种元素中的两种包括Cr和Ni并且Ni和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少四种元素中的两种包括Fe和Al并且Fe和Al的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少四种元素中的两种包括Al和Ni并且Al和Ni的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少四种元素中的两种包括Al和Cr并且Al和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少四种元素中的两种包括Cu和Co并且Cu和Co的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少四种元素中的两种包括Cu和Zn并且Cu和Zn的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少四种元素中的两种包括Co和Zn并且Co和Zn的量相对于彼此变化不大于5原子％。

任选地，如上所述的高熵合金包含至少五种元素，其各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中。任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少五种元素中的两种包括Fe和Cr并且Fe和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少五种元素中的两种包括Fe和Ni并且Fe和Ni的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少五种元素中的两种包括Cr和Ni并且Ni和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少五种元素中的两种包括Fe和Al并且Fe和Al的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少五种元素中的两种包括Al和Ni并且Al和Ni的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少五种元素中的两种包括Al和Cr并且Al和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少五种元素中的两种包括Cu和Co并且Cu和Co的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少五种元素中的两种包括Cu和Zn并且Cu和Zn的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少五种元素中的两种包括Co和Zn并且Co和Zn的量相对于彼此变化不大于5原子％。

任选地，如上所述的高熵合金包含至少六种元素，其各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中。任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少六种元素中的两种包括Fe和Cr并且Fe和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少六种元素中的两种包括Fe和Ni并且Fe和Ni的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少六种元素中的两种包括Cr和Ni并且Ni和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少六种元素中的两种包括Fe和Al并且Fe和Al的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少六种元素中的两种包括Al和Ni并且Al和Ni的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少六种元素中的两种包括Al和Cr并且Al和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少六种元素中的两种包括Cu和Co并且Cu和Co的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少六种元素中的两种包括Cu和Zn并且Cu和Zn的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少六种元素中的两种包括Co和Zn并且Co和Zn的量相对于彼此变化不大于5原子％。

任选地，如上所述的高熵合金包含至少七种元素，其各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中。任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少七种元素中的两种包括Fe和Cr并且Fe和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少七种元素中的两种包括Fe和Ni并且Fe和Ni的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少七种元素中的两种包括Cr和Ni并且Ni和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少七种元素中的两种包括Fe和Al并且Fe和Al的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少七种元素中的两种包括Al和Ni并且Al和Ni的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少七种元素中的两种包括Al和Cr并且Al和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少七种元素中的两种包括Cu和Co并且Cu和Co的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少七种元素中的两种包括Cu和Zn并且Cu和Zn的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少七种元素中的两种包括Co和Zn并且Co和Zn的量相对于彼此变化不大于5原子％。

任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少四种元素中的三种包括Fe、Ni和Cr并且Fe、Ni和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少四种元素中的三种包括Fe、Al和Ni并且Fe、Al和Ni的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少四种元素中的三种包括Al、Cr和Ni并且Al、Ni和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少四种元素中的三种包括Fe、Cr和Al并且Fe、Cr和Al的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少四种元素中的三种包括Cu、Co和Zn并且Cu、Co和Zn的量相对于彼此变化不大于5原子％。

任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少五种元素中的三种包括Fe、Ni和Cr并且Fe、Ni和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少五种元素中的三种包括Fe、Al和Ni并且Fe、Al和Ni的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少五种元素中的三种包括Al、Cr和Ni并且Al、Ni和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少五种元素中的三种包括Fe、Cr和Al并且Fe、Cr和Al的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少五种元素中的三种包括Cu、Co和Zn并且Cu、Co和Zn的量相对于彼此变化不大于5原子％。

任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少六种元素中的三种包括Fe、Ni和Cr并且Fe、Ni和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少六种元素中的三种包括Fe、Al和Ni并且Fe、Al和Ni的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少六种元素中的三种包括Al、Cr和Ni并且Al、Ni和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少六种元素中的三种包括Fe、Cr和Al并且Fe、Cr和Al的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少六种元素中的三种包括Cu、Co和Zn并且Cu、Co和Zn的量相对于彼此变化不大于5原子％。

任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少七种元素中的三种包括Fe、Ni和Cr并且Fe、Ni和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少七种元素中的三种包括Fe、Al和Ni并且Fe、Al和Ni的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少七种元素中的三种包括Al、Cr和Ni并且Al、Ni和Cr的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少七种元素中的三种包括Fe、Cr和Al并且Fe、Cr和Al的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地各自以5至35原子％的量存在于高熵合金中的所述至少七种元素中的三种包括Cu、Co和Zn并且Cu、Co和Zn的量相对于彼此变化不大于5原子％。

任选地，所述高熵合金包含至少四种主要的主量元素。任选地，高熵合金包含至少五种主要的主量元素。任选地，高熵合金包含至少六种主要的主量元素。任选地，高熵合金包含至少七种主要的主量元素。如本文所用，术语“主要的主量元素”是指以至少5原子％的浓度存在的主要元素。

任选地，所述至少四种主要的主量元素可选自Fe、Mn、Ni、Co、Cu和Cr，其中所述主要的主量元素中的至少两种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少三种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少四种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少五种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少六种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少七种的量相对于彼此变化不大于5原子％。

任选地，所述高熵合金包含至少五种主要的主量元素。任选地，所述至少五种主要的主量元素可选自Fe、Mn、Ni、Co、Cu、Cr和Zn，其中所述主要的主量元素中的至少两种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少三种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少四种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少五种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少六种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少七种的量相对于彼此变化不大于5原子％。

任选地，所述高熵合金包含至少六种主要的主量元素。任选地，所述至少六种主要的主量元素可选自Fe、Mn、Ni、Co、Cu、Cr和Zn，其中所述主要的主量元素中的至少两种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少三种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少四种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少六种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少六种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少七种的量相对于彼此变化不大于5原子％。

任选地，所述高熵合金包含至少七种主要的主量元素。任选地，所述至少七种主要的主量元素可选自Fe、Mn、Ni、Co、Cu、Cr和Zn，其中所述主要的主量元素中的至少两种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少三种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少四种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少七种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少七种的量相对于彼此变化不大于5原子％，任选地其中所述主要的主量元素中的至少七种的量相对于彼此变化不大于5原子％。

在一个实例中，所述高熵合金包含至少Fe作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Mn作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Ni作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Co作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Cu作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Cr作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Zn作为主要的主量元素。

在一个实例中，所述高熵合金包含至少Fe和Mn作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Fe和Ni作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Fe和Co作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Fe和Cu作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Fe和Cr作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Cu和Co作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Cu和Zn作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Co和Zn作为主要的主量元素。

在一个实例中，所述高熵合金包含至少Fe、Mn和Ni作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Fe、Mn和Co作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Fe、Mn和Cu作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Fe、Mn和Cr作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Cu、Co和Zn作为主要的主量元素。

在一个实例中，所述高熵合金包含至少Fe、Ni和Co作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Fe、Ni和Cu作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Fe、Ni和Cr作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Fe、Cu和Co作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Fe、Cu和Zn作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含至少Fe、Co和Zn作为主要的主量元素。

在一个实例中，所述高熵合金包含Fe、Mn、Ni和Co作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Mn、Ni和Cu作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Mn、Co和Cu作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Mn、Cr和Ni作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Mn、Cu和Co作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Mn、Cu和Zn作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Mn、Co和Zn作为主要的主量元素。

在一个实例中，所述高熵合金包含Fe、Ni、Co和Cu作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Ni、Cu和Co作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Ni、Cu和Zn作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Ni、Co和Zn作为主要的主量元素。

在一个实例中，所述高熵合金包含Fe、Mn、Ni、Co和Zn作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Mn、Ni、Cu和Zn作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Mn、Co、Cu和Zn作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Mn、Cr、Ni和Zn作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Mn、Cu、Co和Zn作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Ni、Co、Cu和Zn作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Ni、Cu、Co和Zn作为主要的主量元素。

在一个实例中，所述高熵合金包含Al、Fe、Mn、Cr和Cu作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Mn、Ni、Co和Cu作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Mn、Ni、Co、Cu和Zn作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Fe、Mn、Ni、Cr、Co、Cu和Zn作为主要的主量元素。在一个实例中，高熵合金包含Al、Fe、Mn、Ni、Cr、Cu和Zn作为主要的主量元素。

任选地，所述高熵合金包含至少一种主要的微量元素。如本文所用，术语“主要的微量元素”是指以小于5原子％的浓度存在的主要元素。任选地，高熵合金包含至少两种主要的主量元素和一种主要的微量元素，任选地至少三种主要的主量元素和一种主要的微量元素，任选地至少四种主要的主量元素和一种主要的微量元素，任选地至少五种主要的主量元素和一种主要的微量元素，任选地至少六种主要的主量元素和一种主要的微量元素，任选地至少七种主要的主量元素和一种主要的微量元素。任选地，高熵合金包含如本文所述的主要的主量元素与Zn作为主要的微量元素的任何组合。

根据一个实施方案，提供了一种制造多材料部件的方法，其包括：提供包含如本文所述的金属或金属合金的第一构件；提供包含金属或金属合金的第二构件，任选地其中所述第二构件包含与第一构件的金属或金属合金不同的金属或金属合金；和用包含如本文所述的高熵合金的第三构件将第一构件接合至第二构件。任选地，用第三构件将第一构件接合至第二构件的步骤包括将第三构件定位在第一构件与第二构件之间，并点焊第一构件至第三构件和点焊第二构件至第三构件。任选地，第三构件为耗材并且用第三构件将第一构件接合至第二构件的步骤包括：熔化所述耗材以在第一构件和第二构件上沉积如本文所述的高熵合金。任选地，如本文所述的高熵合金可具有大于1.3R的混合熵，并且任选地可具有大于1.5R的混合熵。

附图说明

图1示意了根据本公开的一个方面通过点焊接合的多材料部件。

图2示意了根据本公开的一个方面的示例性多材料部件的剖视图。

图3A和3B示意了根据本公开的一个方面的包含高熵合金的焊接耗材。

图4示意了根据本公开的一个方面用高熵合金进行钎焊、熔覆、增材、填充、加焊硬面、堆焊、焊接和接合应用的激光器系统的图。

图5示意了根据本公开的一个方面用高熵合金进行钎焊、熔覆、增材、填充、加焊硬面、堆焊、焊接和接合应用的气体保护金属极电弧焊系统的图。

图6示意了根据本公开的一个方面用高熵合金进行钎焊、熔覆、增材、填充、加焊硬面、堆焊、焊接和接合应用的气体保护钨极电弧焊系统的图。

图7A示意了一种激光熔覆系统，其使用金属丝焊接耗材将高熵合金沉积在基材上。

图7B示意了一种激光熔覆系统，其使用粉末焊接耗材将高熵合金沉积在基材上。

图8示意了根据本公开的一个方面用高熵合金进行钎焊、熔覆、增材、填充、加焊硬面、堆焊、焊接和接合应用中的任何之一的组合金属丝焊接耗材进给器和能源系统的功能性示意性框图。

图9A和9B示意了固定至车辆的车顶纵梁的车辆B柱。

图10示出了在实施例I中描述的拉伸-剪切试验中研究的每个样品的载荷(KN)与位移(mm)关系。

图11示出了如实施例II中所述样品N-1、N-2和N-3的上钢板的焊点的断裂表面和顶表面的光学低倍照相图。

图12A示出了如实施例II中所述样品H-1、H-2和H-3的上钢板的焊点的断裂表面和顶表面的光学低倍照相图。

图12B示出了图12A中样品H-2的焊点的顶表面的放大部分。

图13为示出相对于图11、12、15和16中示出的展示平面图的拉伸应力轴的示意图。

图14A示出了在实施例III中描述的拉伸-剪切试验中研究的每个样品的载荷(k.N)与位移(mm)关系。

图14B示出了具有和不具有HEA夹层的两组样品的平均断裂载荷。

图15示出了如实施例III中所述不具有HEA夹层的四个样品的两个断裂表面。

图16示出了如实施例III中所述具有HEA夹层的四个样品的两个断裂表面。

图17示出了如实施例V中所述的相图。

图18示出了如实施例V中所述的Scheil凝固图。

图19示出了如实施例V中所述的γ相的化学组成。

图20A示出了如实施例VI中所述的初始化学组成分布。

图20B示出了如实施例VI中所述的扩散建模的热分布。

图21A示出了如实施例VI中所述HEA的扩散行为，特别是扩散模拟后的组成分布。

图21B示出了如实施例VI中所述HEA的扩散行为，特别是预测的相。

图22A示出了如实施例VI中所述Zn-Fe对的扩散行为，特别是扩散模拟后的组成分布。

图22B示出了如实施例VI中所述Zn-Fe对的扩散行为，特别是预测的相。

图23示出了如实施例VII中所述HEA相对于钢的扩散行为，特别是扩散模拟后的组成分布。

图24A示出了如实施例VIII中所述的对照样品的两个横截面的照片。

图24B示出了如实施例VIII中所述的对照样品的光学显微照片图像。

图25A示出了如实施例VIII中所述的本发明样品的两个横截面的照片。

图25B示出了如实施例VIII中所述的本发明样品的光学显微照片图像。

具体实施方式

应理解，本文的描述和附图仅是示意性的并可在不偏离本公开的情况下对所公开的组合物、方法和结构作各种修改和改变。

总的来说，提供高熵合金来实现金属或金属合金的接合。如本文所用，术语“高熵合金”通常是指具有大于1.3R的混合熵、包含四种或更多种如本文所述的主要的主量元素的合金，其中所述混合熵使用等式ΔSmix＝RlnN确定，其中R为气体常数和N为元素总数。高熵合金可包含等原子或接近等原子的多种如本文所述的主要的元素。高熵合金将促进固溶体的形成并抑制金属间化合物，尤其是在高温下。相应地，固溶体相的结构简单地为面心立方体(FCC)或体心立方体(BCC)或两者的组合，这与在常规合金材料中通常所见的多相结构不同。在一种示意性实例中，高熵合金包含具有FCC晶体结构的单相固溶体。这样的高熵合金可具有独特的物理和机械性质，因为它们仍具有简单的晶体结构但它们的晶格由于原子尺寸失配而高度扭曲。该结构也可通过改变组成水平来调节，即可将其从FCC转变为BCC，同时增加含铝高熵合金中的例如Al内容物的量。高熵合金的固溶体相因与金属间化合物相比显著高的混合熵而稳定，尤其是在高温下。

如本文所述，混合熵可使用等式ΔSmix＝R1nN确定，其中R为气体常数和N为元素总数。当组成接近等原子时，混合熵的值达到最大值。在一个非限制性实例中，高熵合金可包含四种或更多种主要的元素，任选地五种主要的元素，具有大于1.3R的混合熵(ΔSmix)，其中R为气体常数(8.314J/K摩尔)。任选地，高熵合金可包含四种或更多种主要的元素，任选地五种主要的元素，具有大于1.5R的ΔSmix。在一个非限制性实例中，高熵合金可包含四种或更多种主要的元素，任选地五种主要的元素，所述主要的元素可各自构成高熵合金的5至90原子％，并且任选地高熵合金可包含至少四种主要的元素，任选地五种主要的元素，每种主要的元素以高熵合金的5至35原子％的量存在。主要的元素可包括但不限于Fe、Co、Ni、Hf、Si、B、Cu、Al、Mg、W、Ta、Nb、Cr、Sn、Zr、Ti、Pd、Au、Pt、Ag、Ru、Mo、V、Re、Bi、Cd、Pb、Ge、Sb、Zn和Mn。例如，所述高熵合金可包含以下元素中的两种以上，任选地三种或更多种、任选地四种或更多种、任选地五种或更多种、任选地六种或更多种、任选地七种或更多种：5-90原子％的Al；5-90原子％的Fe；5-90原子％的Mn；5-90原子％的Ni；5-90原子％的Cr；5-90原子％的Co；5-90原子％的Cu；和5-90原子％的Zn。任选地，高熵合金可还包含一种或多种量小于5原子％的主要的微量元素。在一个示意性实例中，高熵合金包含Zn作为主要的微量元素。任选地，高熵合金可包含至少四种或更多种主要的元素，其中所述主要的元素中的至少四种各自构成高熵合金的5至35原子％。在一个示意性实例中，高熵合金包含以下元素中的四种或更多种：5-35原子％的Al；5-35原子％的Fe；5-35原子％的Mn；5-35原子％的Ni；5-35原子％的Cr；5-90原子％的Co；5-90原子％的Cu；和5-90原子％的Zn。

高熵合金的主要的元素可以等摩尔的量或以接近等摩尔的量存在。任选地，高熵合金的主要的元素中的至少四种可以等摩尔的量或以接近等摩尔的量存在。在一个非限制性实例中，高熵合金中各种(或任选地两种、三种、四种或五种)主要的元素的相对量变化不大于15原子％、不大于10原子％、或不大于5原子％。在一个示意性实例中，高熵合金包含至少四种主要的元素，高熵合金的所述至少四种主要的元素构成高熵合金的至少90原子％，并且高熵合金的至少四种主要的元素的相对量变化不大于5原子％，如包含Al、Fe、Mn、Ni、Cr、Co、Cu和/或Zn的高熵合金。例如，高熵合金可包含五种主要的元素并且高熵合金中所述主要的元素中的每一种的相对量变化不大于5原子％，如包含Al、Fe、Mn、Ni、Cr、Co、Cu和/或Zn的高熵合金。

除了通常与主要的元素或制造高熵合金的方法相关的杂质外，高熵合金可仅由主要的元素组成。任选地，高熵合金可含有一种或多种主要的微量元素，其各自构成高熵合金的不到5原子％。示意性的实例包括Fe、Co、Ni、Hf、Si、B、Cu、Al、Mg、W、Ta、Nb、Cr、Sn、Zr、Ti、Pd、Au、Pt、Ag、Ru、Mo、V、Re、Bi、Cd、Pb、Ge、Sb、Mn、Zn及其混合物。在一个示意性实例中，高熵合金中存在的主要的微量元素的总量小于或等于30原子％，任选地小于或等于20原子％，任选地小于或等于10原子％，任选地小于5原子％，任选地小于2.5原子％，或任选地小于1.0原子％。

高熵合金的主要的元素可构成高熵合金的至少70原子％、任选地高熵合金的至少80原子％、任选地高熵合金的至少90原子％、任选地高熵合金的至少95原子％。在一个非限制性实例中，高熵合金的主要的元素可构成高熵合金的85原子％至95原子％。

高熵合金可通过多种方法形成，包括但不限于熔化和铸造、锻造或粉末冶金。在一个非限制性实例中，高熵合金可通过使用液相方法(包括电弧熔化和感应熔化)、通过使用固态加工(如使用高能球磨机)、气相加工(包括溅射)或通过热喷涂、激光熔覆或电沉积来制造。

图1-9B提供了通过本公开的高熵合金接合的多材料部件、用本公开的高熵合金接合多材料部件的方法及包含本公开的高熵合金或高熵合金前体的焊接耗材的示意性实例。

如图1中所示，可提供多材料部件5，其包括：第一构件10，该第一构件10包含金属或金属合金，该金属或金属合金包括基本金属；第二构件20，该第二构件20包含金属或金属合金，该金属或金属合金包括基本金属；和第三构件30，该第三构件30将第一构件10接合至第二构件20。第一构件10的金属或金属合金可与第二构件20的金属或金属合金不同，或者第一构件10的金属或金属合金可与第二构件20的金属或金属合金相同。在一个示意性实例中，第一构件10包含铝合金而第二构件20包含钢。在另一个示意性实例中，第一构件10和第二构件20均包含钢。在另一个示意性实例中，第一构件10和第二构件20均包含铁。在另一个示意性实例中，第一构件10和第二构件20中的一个包含钢而第一构件10和第二构件20中的另一个包含铁。应理解，第一构件10和第二构件20中的任一个或两者包含如本文所述的Zn涂层。第三构件30包含高熵合金并可完全或至少部分地位于第一构件10与第二构件20之间。第三构件30可呈板、片材、箔等的形式，并且第一构件10和第二构件20可通过一个或多个焊接、机械紧固件、粘合剂或其任何组合接合至第三构件30。任选地，第三构件30可呈第一构件10和第二构件20中的一个或两者上的涂层或熔覆层的形式。相应地，第三构件30可至少部分地位于第一构件10与第二构件20之间以在其间提供物理分离并用作绝缘体以有利地降低第一构件10与第二构件20之间的电偶电位。在一个非限制性实例中，第一构件10和第二构件20用电阻点焊设备40的电极点焊至第三构件30。在一个非限制性实例中，第三构件30可呈片材或箔条的形式，该片材或箔条的厚度为0.10mm至1.0mm，任选地0.15mm至0.6mm，任选地0.25mm至0.5mm，任选地0.4mm。在另一个非限制性实例中，第三构件的厚度可在约1与1000μm之间，任选地约25与750μm之间，任选地约50与500μm之间，任选地约50与250μm之间，和任选地约75与500μm之间。任选地，第三构件仅由高熵合金组成。

应理解，可在点焊操作之前将第三构件30固定至第一构件10或第二构件20。在一个示意性实例中，将第三构件30固定至第一构件10，然后将第一构件10定位为与第二构件20相对，其中第三构件30定位在第一构件10与第二构件20之间，之后进行点焊操作，该点焊操作形成延伸通过第一构件10、第二构件20和第三构件30中的每一个的一部分的焊点熔核以将第一构件10接合或以其他方式固定至第二构件20而形成多材料部件5。应理解，可使用任何合适的方法将第三构件30固定至第一构件10或第二构件20。示意性的实例包括将第三构件30接合至第一构件10和第二构件20中的一个或两者的粘合剂、机械紧固件、焊接和熔覆。

尽管图1仅包括用于将第一构件10接合至第二构件20的单个第三构件30，但应理解，为了将第一构件10接合(如通过点焊)至第二构件20，可在第一构件10与第二构件20之间定位任何数目的第三构件30。还应理解，第三构件30可包含不止一种高熵合金。在一个示意性实例中，第三构件30可包含第一高熵合金和第二高熵合金，所述第一高熵合金特别适合于接合(如点焊)至第一构件10，所述第二高熵合金为与所述第一高熵合金不同的合金并特别适合于接合(如点焊)至第二构件20。在这样的构造中，第三构件30可包括其中第一高熵合金粘结(如用粘合剂)至第二高熵合金的层合物。在另一个非限制性实例中，可将第一高熵合金固定至第一构件10(如用粘合剂、焊接、熔覆或机械紧固件)，可将第二高熵合金固定至第二构件20(如用粘合剂、焊接、熔覆或机械紧固件)，然后可将第一构件10相对于第二构件20定位，其中第一高熵合金定位为与第二高熵合金相邻，并可进行如图1中所示的点焊以形成焊点熔核，该焊点熔核可包括第一构件10、第一高熵合金、第二高熵合金和第二构件20的一个或多个部分以将第一构件10接合至第二构件20。

应理解，第一构件10和第二构件20不限于本文描述的实例。在一个非限制性实例中，第一构件10可由钢、铝和铝合金、镁和镁合金、及钛和钛合金组成，第二构件20可由钢、铝和铝合金、镁和镁合金、及钛和钛合金组成。铝合金包括但不限于铸造和锻造合金。钢的示意性实例包括先进高强度钢如980级双相钢和超高强度钢。还应理解，第一构件10和第二构件20可以是相同的合金，但不同的等级。在一个示意性实例中，第一构件10可为7000系列铝合金如7075，而第二构件20可为6000系列铝合金如6061。在另一个示意性实例中，第一构件10可为第一钢组合物如

1500P(可自Arcelor Mittal商购获得)，而第二构件20可为不同于第一钢组合物的第二钢组合物如JAC980YL。还应理解，第一构件10和第二构件20中的任一个或两者可被涂覆。例如，第一构件10可为具有Al-Si涂层的超高强度钢如

1500P(可自Arcelor Mittal商购获得)，第二构件20可为铝合金如7075或6061，并且任选地第三构件30包含至少Fe、Al和Si作为主要的元素，并任选地可包含Fe、Al、Mn、Si、Cr和Ni作为主要的元素以及包含B作为主要的微量元素。

1500P的组成按重量百分数汇总如下(其余为铁(Fe)和不可避免的杂质)：

C	Mn	Si	Ni	Cr	Cu	S	P	Al	V	Ti	B
												0.221	1.29	0.28	0.013	0.193	0.01	0.001	0.018	0.032	0.005	0.039	0.0038

在一个非限制性实例中，第一构件10可为镀锌钢如JAC980YL，第二构件20可为铝合金如7075或6061，并且第三构件30任选地包含至少Fe、Al和Si作为主要的元素，并任选地可包含Fe、Al、Mn、Si、Cr和Ni作为主要的元素以及包含B作为主要的微量元素。JAC980YL为根据日本钢铁联盟标准定义的高性能高抗拉钢。

在另一个非限制性实例中，第一构件10和第二构件20均可为镀锌钢如JAC980YL，并且第三构件30任选地包含Cu、Co和Zn中的至少之一作为主要的主量元素，并任选地可包含Cu和Co中的至少之一作为主要的主量元素以及Zn作为主要的微量元素。

第三构件30的高熵合金可包含与第一构件10的金属或基本金属相同的第一主要的元素，并任选地包含与第二构件20的金属或基本金属相同的第二主要的元素。例如，第一构件10可包含铝合金，第二构件20可包含钢，而第三构件30的高熵合金可包含至少Al和Fe作为主要的元素。在一个非限制性实例中，第一构件10为涂覆钢，第二构件20为铝合金，而第三构件30的高熵合金包含Fe、Al和第三元素作为主要的元素，所述第三元素包含在第二构件20的钢的涂层中。在一个非限制性实例中，涂层包含Si而第三构件30的高熵合金包含Fe、Al和Si作为主要的元素。在另一个非限制性实例中，涂层包含Zn而第三构件30的高熵合金包含Fe、Al和Zn作为主要的元素。任选地，第三构件30的高熵合金包含五种主要的元素：Al、Fe、Mn、Cr和Ni。任选地，第三构件30的高熵合金包含六种主要的元素：Al、Fe、Mn、Si、Cr和Ni。

在另一个非限制性实例中，第一构件10可为涂覆铁和/或涂覆钢，第二构件20可为与第一构件10的涂覆铁和/或涂覆钢相同或不同的涂覆铁和/或涂覆钢，而第三构件30可包含如本文所述的高熵合金。在此实例中，涂层可为Zn涂层，其中所述Zn涂层可任选地通过对铁和/或钢镀锌以分别提供镀锌铁和/或镀锌钢和/或通过对铁和/或钢镀锌退火以分别提供镀锌退火的铁和/或镀锌退火的钢来提供。应理解，在没有如本文所述的第三构件的镀锌退火铁和/或镀锌退火钢的电阻点焊过程中，Zn涂层的低熔点以及由焊接电极施加的载荷可能会导致Zn向铁和/或钢中的扩散，从而导致LME开裂。通过提供如本文所述的第三构件30，高熵合金可在焊接过程中吸收游离的Zn并因此防止Zn偏析到第一构件和第二构件的焊接区中。以这种方式，可实现高接合质量。

在另一个非限制性实例中，第三构件30的高熵合金可包含与第一构件10的基本金属相同的第一主要的元素、与第一构件10的第二或第三最丰富元素相同的第二主要的元素、与第二构件20的基本金属相同的第三主要的元素、与第二构件20的第二或第三最丰富元素相同的第四主要的元素和/或与第一构件10和/或第二构件20的涂层相同的第五主要的元素。例如，第一构件10可为含Mg和Si作为第二和第三最丰富元素的6061铝合金，第二构件20可为含Mn和Cr作为第二和第三最丰富元素的JAC980YL镀锌钢，而第三构件30包含Al、Fe、Si和Mn，任选地第三构件30包含Al、Fe、Si和Cr，并且任选地第三构件包含Al、Fe、Si、Mn和Cr。在另一个实例中，第一构件10和第二构件20可为含Mn和Cr作为第二和第三最丰富元素的JAC980YL镀锌钢，而第三构件30包含Fe。在此实例中，第三构件也可任选地包含Mn、Ni、Co、Cu、Cr和/或Zn，如本文所述。

如图2中所示，可将包含高熵合金的第三构件30沉积在第一构件10和第二构件20上以形成多材料部件5。可将第三构件30沉积在第一构件10和第二构件20上而不熔化第一构件10或第二构件20。如图3A和3B中所示，可以焊接耗材140的形式提供高熵合金(或高熵合金前体组合物)，并可向焊接耗材140施加热源以将包含高熵合金的第三构件30沉积在第一构件10和第二构件20上。然而，应理解，可在沉积第三构件30的位置处熔化第一构件10和第二构件20中之一或两者的一部分。可用于在第一构件10和第二构件20上沉积包含高熵合金的第三构件30的方法的非限制性实例包括以下中的至少之一：电子束焊接、激光束焊接(图4)、等离子体电弧焊、气体保护金属极电弧焊(图5)、气体保护钨极电弧焊(图6)、激光熔覆(图7A和7B)、药芯焊丝电弧焊和埋弧焊。

焊接耗材140的高熵合金(或高熵合金前体组合物)可包括用于与上述第一构件10和第二构件20组合中的任何一个一起使用的任何上述组合物。在一个示意性实例中，焊接耗材140可包含与第一构件10的金属或基本金属相同的第一主要的元素，并任选地包含与第二构件20的金属或基本金属相同的第二主要的元素。例如，第一构件10包含铝合金，第二构件20包含钢，而焊接耗材140的高熵合金(或高熵合金前体组合物)包含至少Al和Fe作为主要的元素。在另一个实例中，第一构件10和/或第二构件20可各自包含Fe或钢，而焊接耗材140的高熵合金(或高熵合金前体组合物)包含至少Fe作为主要的元素。在另一个实例中，第一构件10和/或第二构件20可各自包含镀锌退火的Fe和/或镀锌退火的钢，而焊接耗材140的高熵合金(或高熵合金前体组合物)包含至少Fe作为主要的元素和任选地Zn作为主要的主量元素或主要的微量元素。在另一个实例中，第一构件10和/或第二构件20可各自包含Fe和/或钢，各自独立地具有或不具有如本文所述的Zn涂层，而焊接耗材140的高熵合金(或高熵合金前体组合物)包含Cu、Co和Zn中的至少之一作为主要的主量元素、任选地Cu和Cu中的至少之一作为主要的主量元素及Zn作为主要的主量元素或主要的微量元素。任选地，焊接耗材140的高熵合金(或高熵合金前体组合物)包含五种主要的元素：Al、Fe、Mn、Cr和Ni。任选地，焊接耗材140的高熵合金(或高熵合金前体组合物)包含四种或更多种主要的元素、任选地五种或更多种主要的元素、任选地六种或更多种主要的元素、任选地七种或更多种主要的元素，其中所述主要的元素选自Fe、Mn、Ni、Co、Cu、Cr和Zn。任选地，焊接耗材140的高熵合金(或高熵合金前体组合物)包含一种如本文所述的主要的微量元素。

如图3A和3B中所示，焊接耗材140可为包含基本填料材料141的填充焊丝，基本填料材料141包含高熵合金或在熔化时形成高熵合金的高熵合金前体组合物。可在芯体基本填料材料141周围提供屏蔽或助焊剂142。或者，助焊剂142可设置在填充焊丝的芯体中(未示出)。助焊剂142用于保护焊接区域免受氧化。例如，助焊剂142可在焊接区域上方形成保护性熔渣以使该焊接区域免受大气影响和/或形成二氧化碳以保护该焊接区域。这样的助焊剂涂层是众所周知的并常与自屏蔽电极一起使用。尽管本文主要以填充焊丝描述了焊接耗材140，但焊接耗材140不限于这样的构造而是可呈任何合适的形式，包括但不限于箔、条、板或粉末形式。还应理解，焊接耗材140可通过用于制造焊接耗材或用于形成高熵合金的任何方法来制造。在一个非限制性实例中，焊接耗材140可通过使用液相方法(包括电弧熔化和感应熔化)、通过使用固态加工(如使用高能球磨机)、气相加工(包括溅射)或通过热喷涂、激光熔覆或电沉积来制造。在一个非限制性实例中，焊接耗材可以是直径为0.8mm至5.0mm、任选地0.8mm至1.75mm、任选地1.50mm至2.5mm、任选地4.50mm至5.00mm、任选地1.0mm、任选地1.2mm、任选地1.6mm、任选地2.0mm、任选地2.4mm、任选地4.76mm的填充焊丝。

如图4中所示，可从能量源施加激光束110以熔化焊接耗材140，从而用高熵合金将第一构件10接合至第二构件20。如图5中所示，提供惰性气体保护金属极焊接设备200，该设备能够熔化焊接耗材140以用包含高熵合金的第三构件30将第一构件10接合至第二构件20。如图6中所示，惰性气体保护钨极焊接设备250提供有非耗材电极251，该非耗材电极251能够熔化焊接耗材140以用包含高熵合金的第三构件30将第一构件10接合至第二构件20。

如图7A和7B中所示，第三构件30可作为熔覆层或堆焊层施加至第一构件10和第二构件20。如图7A中所示，可提供激光器120以向焊接耗材140(呈焊丝的形式)施加激光束，从而形成高熵合金的熔池35，该熔池凝固形成第三构件30而将第一构件10接合至第二构件20。如图7B中所示，激光器120可向呈粉末形式的焊接耗材140施加激光束。粉末焊接耗材140经由喷射喷嘴143供送至激光器120，在这里，激光束接触粉末焊接耗材140而形成高熵合金的熔池35，该熔池凝固形成第三构件30。应理解，粉末焊接耗材140可以是高熵合金的粉末形式，或者可以是由激光器120熔化而形成高熵合金的金属或金属合金粉末的混合物。虽然以激光器120描述了第三构件30的熔覆或堆焊，但应理解，第三构件30的熔覆或堆焊可使用任何合适的过程来施加，包括但不限于手工金属极电弧焊、气体保护钨极电弧焊、气体保护金属极电弧焊、埋弧焊、药芯焊丝电弧焊和等离子体转移电弧焊。

如图8中所示，可提供高能热源来使用焊接耗材140进行钎焊、熔覆、增材、填充、加焊硬面、堆焊和接合/焊接应用中的任何一种。高能热源能够加热第一构件10、第二构件20、焊接耗材140中之一或其任何组合以形成熔池35。高能热源可以是激光子系统130/120，其包括操作性连接至彼此的激光器设备120和激光器电源130。激光器120能够将激光束110聚焦到第一构件10、第二构件20和焊接耗材140中之一或其任何组合上，而电源130提供功率以操作激光器设备120。激光子系统130/120可以是任何类型的高能激光源，包括但不限于二氧化碳、Nd:YAG、Yb-盘、YB-光纤、光纤输送或直接二极管激光器系统。此外，如果具有足够的能量，则也可使用白光或石英激光器类型的系统。尽管以激光器系统描述了高能热源，但应理解，此提及是示例性的并可使用任何高强度能量源。高能热源的其他非限制性实例可包括电子束、等离子体电弧焊子系统、气体保护钨极电弧焊子系统、气体保护金属极电弧焊子系统、药芯焊丝电弧焊子系统和埋弧焊子系统中的至少之一。

可提供能够向激光束110的附近提供至少一个焊接耗材140的填充焊丝供送子系统。应理解，熔坑即熔池35可被认为是仅来自于焊接耗材140的高熵合金的一部分，或者是第一构件10和第二构件20中之一或两者的一部分与来自于焊接耗材140的高熵合金。填充焊丝供送子系统可包括填充焊丝供送器150、接触管160和焊丝电源170。焊丝焊接电源170可以是直流(DC)电源(其可例如是脉冲的)，但交流(AC)或其他类型的电源也是可能的。焊丝焊接耗材140从填充焊丝供送器150通过接触管160朝向第一构件10和/或第二构件20供送并延伸过管160。在操作期间，焊丝焊接耗材140的延伸部分可由来自焊丝焊接电源170的电流以电阻方式加热，焊丝焊接电源170可以可操作地连接在接触管160与第一构件10和第二构件20中之一或两者之间。

在其进入到熔坑35中之前，焊丝焊接耗材140的延伸部分可以以电阻方式加热，从而使得延伸部分在接触熔坑35之前接近或达到熔点。因为焊丝焊接耗材140被加热至其熔点或接近其熔点，故其在熔坑35中的出现将不会明显地冷却或凝固熔池35，并且焊丝焊接耗材140会被迅速消耗到熔池35中。激光束110(或其他能量源)可用于将第一构件10和第二构件20中之一或两者的一些熔化以形成熔坑35。任选地，激光束110(或其他能量源)可用于仅熔化焊丝焊接耗材140以形成熔坑35。系统还可包括感测和控制单元195。感测和控制单元195可以可操作地连接至电源170、焊丝供送器150和/或激光器电源130以控制焊接过程。

在一个非限制性实例中，所述多材料部件5为汽车部件。在一个示意性实例中，第一构件10为铝合金车顶而第二构件20为钢车身。在另一个示意性实例中，多材料部件5为通过如本文所述接合第一构件10与第二构件20而制造的任何汽车部件，其中第一和第二构件中之一或两者包含具有如本文所述的Zn涂层的铁和/或钢并经由电阻点焊接合。

在如图9A和9B中示出的一个非限制性实例中，多材料部件5可包括为铝合金车顶纵梁的第一构件10和为钢B柱的第二构件20。第一构件10可使用本文公开的任何方法用包含高熵合金的第三部件30固定至第二构件20。如图9A和9B中所示，第二构件20的第一端25可与第一构件10的朝向侧梁(未示出)向下延伸的部分33重叠，其中侧梁可由铝合金或钢构成。第二构件20的第一端25的边缘37可用焊接耗材140焊接至第一构件10以在第一构件10和第二构件20上沉积包含高熵合金的第三构件30。另外或替代地，第三构件30可呈板、片材等的形式，并且第一构件10和第二构件20可通过一个或多个焊接、机械紧固件、粘合剂或其任何组合接合至第三构件30。在一个非限制性实例中，第三构件30为位于第二构件20的第一端25与第一构件10的部分33之间的片材，和然后用电阻点焊设备40将第一构件10和第二构件20点焊至第三构件30。

虽然为了简化说明的目的，方法具有描述为顺序执行的步骤，但应理解并认识到，本公开不受所示意顺序的限制，相反，一些步骤可以与本文所示和描述不同的顺序和/或与其他步骤同时地进行。

应理解，上文公开的各种及其他特征和功能或其替代物可按照期望地组合到许多其他不同的系统或应用中。此外，本领域技术人员随后可作出各种目前无法预见或预料的替代、修改、变化或改进，这些也旨在由附随的权利要求所涵盖。

实施例

实施例I：使用370μm厚HEA夹层进行电阻点焊的拉伸-剪切试验

使用真空电弧熔化制备由Fe、Mn、Ni和Co组成的高熵合金。通过轧制然后研磨至最终厚度来制备厚度各为370μm的多个高熵合金箔。然后经由电阻点焊在以下参数内焊接两个镀锌退火钢板来形成六个焊接组(weld sets)：60Hz，8.5K.amps，26次循环，和770磅。焊接组N-1、N-2和N-3在无高熵合金的情况下形成，而焊接组H-1、H-2和H-3在焊接前提供高熵合金作为两个镀锌退火钢板之间的夹层的情况下形成。图10示出了在实施例I中描述的拉伸-剪切试验中研究的每个样品的载荷(KN)与位移(mm)关系。

实施例II：使用370μm厚HEA夹层的点焊在拉伸-剪切试验后的断裂表面

图11示出了样品N-1、N-2和N-3的上钢板的焊点的断裂表面和顶表面的光学低倍照相图。在每个样品中检测到界面剪切模式。图12A示出了样品H-1、H-2和H-3的上钢板的焊点的断裂表面和顶表面的光学低倍照相图。图12B为样品H-2的焊点的顶表面的放大部分。在每个样品中检测到混合断裂模式(拉出+界面剪切)。图13为示出相对于图11和12中示出的展示平面图的拉伸应力轴的示意图。

基于实施例I和II，结论是，引入高熵合金夹层导致更小的点焊面积和部分(50％)拉出断裂模式而不是如在无高熵合金的样品中观察到的100％界面断裂模式。

实施例III：使用220μm厚HEA夹层进行电阻点焊的拉伸-剪切试验

使用真空电弧熔化制备由Fe、Mn、Ni和Co组成的高熵合金。通过轧制然后研磨至最终厚度来制备厚度各为220μm的多个高熵合金箔。然后经由电阻点焊在以下参数内焊接两个钢板来形成八个焊接组：60Hz，9.5K.amps，26次循环，和1000磅。四个焊接组在无高熵合金夹层的情况下形成，而四个焊接组在焊接前提供高熵合金箔作为两个钢板之间的夹层的情况下形成。图14A示出了在实施例III中描述的拉伸-剪切试验中研究的每个样品的载荷(k.N)与位移(mm)关系。图14B示出了两个样品组的平均断裂载荷。从图14A和14B可观察到，通过将HEA夹层的厚度降至220μm，具有HEA夹层的样品的平均断裂载荷比无夹层的其他样品的平均断裂载荷增加10％以上。这可归因于因使用更薄的夹层而减少两个焊接钢板之间的应力集中。另外，使用HEA夹层时拉伸性能(应变硬化)具有更高的一致性，如图14A中更靠近的红色曲线和图14B中略窄的波动所示。

实施例IV：使用220μm厚HEA夹层的点焊在拉伸-剪切试验后的断裂表面

图15示出了样品N-4、N-5、N-6和N-7的上和下钢板的点焊的两个断裂表面(镜像)的光学低倍照相图。如前面所观察到的，在所有样品中均看到完全界面剪切断裂模式。图16示出了样品H-4、H-5、H-6和H-7的上和下钢板的点焊的两个断裂表面(镜像)。对于该样品组，两个样品(H-4和H-5)以100％拉出断裂模式失败，而其他两个样品主要以界面剪切模式失败。图13为示出相对于图15和16中示出的展示平面图的拉伸应力轴的示意图。

基于实施例III和IV，确定含高熵合金夹层的样品显示出比无高熵合金夹层的样品高的断裂载荷以及更一致的拉伸曲线。

实施例V：平衡相图和Scheil凝固图的ThermoCalc模拟

使用ThermoCalc来制备由Fe、Mn、Ni、Co和Zn组成的实例HEA的平衡相图和Scheil凝固图。图17示出了相图，和图18示出了Scheil凝固图。

如图17中所见，相图显示FCC相占主导。如图18中所见，Scheil凝固图量化液相和FCC相的摩尔分数大于0.8。根据平衡相图，计算还预测了γ相的存在。γ相的组成经计算为25重量％的Ni-75重量％的Zn，如图19中所示。(图19示出了γ相的化学组成。)在文献中述及的锌-镍合金的五种已知的相中，这些合金中的大多数被用于耐腐蚀镀η-(1重量％Ni)、α和β-(30重量％的Ni，称为富镍相)应用中，这是与计算结果最接近的组成。基于镀层应用，预计它们不会是导致韧性损失的太脆的相。δ-(Ni3Zn22)11重量％Ni和γ-(Ni5Zn21)17.6重量％Ni为其他两个被认为富Zn的相。

实施例VI：HEA的DICTRA扩散建模

使用DICTRA来模拟由Fe、Mn、Ni、Co和Zn组成的实例HEA，DICTRA是ThermoCalc软件包中用于模拟多组分系统中的扩散控制转变的模块。HEA数据库包TCHEA3和MOBHEA1在假定存在两个组分——左侧上为HEA和右侧上为钢——的情况下使用，并且从熔核和HAZ(蒸发或熔化)中的镀锌层计算出的Zn量被补偿到HEA初始组成分布中，如图20A中所示。(图20A示出了初始化学组成分布。)

每种元素的组成通过以下等式定义：

F(x)＝C+D*erf((X-E)/F)，其中：

C＝(X₁+X₂)/2，其中X₁和X₂分别为HEA侧和铁侧中每种元素的浓度

D＝X₂-C

E＝两个组分间的边界的位置(在100μm处)

F＝边界的锐度(设置为5μm)。

将HEA中的Zn组成设置为高于其在设计的等原子合金中的值(0.2摩尔Zn)以吸收来自涂层的所有进入的Zn(～2mg)，故假定HEA为由0.27摩尔Zn(和0.1825摩尔来自其他四种元素中的每一种)构成。

钢组成假定为100％的铁。每个组分的厚度假定为100μm。采用双几何网格以在中心线(相互扩散区域)周围具有更精细的网格。

引入到模型中的相基于的是Scheil凝固图。向模型中引入简化的热分布来模仿文献数据以模拟最高温度为2100℃的一秒时间内的焊接过程。

图20B示出了扩散建模的热分布。

图21A和21B示出了HEA相对于钢(假定100％的Fe)的扩散行为。具体而言，图21A示出了扩散模拟后的组成分布，而图21B示出了预测的相。如在这些附图中可见，Zn似乎是扩散到钢中最慢的元素，因为它在进入到钢侧中～25μm的距离后停止。Co似乎是扩散到钢中最快的元素，其次是Ni和Mn。潜在的扩散边界出现在钢侧中25或40μm处。在图21B中，模型预测的存在于HEA中的相(FCC+γ)与从Scheil凝固图计算的相匹配，同时钢以BCC表示，因为在此模拟中钢侧中仅存在Fe。

也对不添加HEA的Zn-Fe对进行DICTRA扩散建模以模拟原始条件。应用与上述相同的热分布，不同在于初始化学组成分布设置为100重量％的Zn对100重量％的Fe，每侧上的厚度为100μm。观察到Zn和Fe均远更深地扩散到彼此中。图22A和22B示出了Zn-Fe对相对于钢(假定100％的Fe)的扩散行为。具体而言，图23A示出了扩散模拟后的组成分布，而图22B示出了预测的相。确定了两个相：γ_FeZn和HCP相。

实施例VII：HEA的DICTRA扩散建模

对由Fe、Mn、Ni和Co组成的实例HEA重复实施例VI中描述的过程。图23示出了HEA相对于钢(假定100％的Fe)的扩散行为，具体而言，扩散模拟后的组成分布。如图23中所见，Zn扩散在进入到Fe侧中10μm后停止。

实施例VIII：RSW样品的光学显微术

为了研究HEA对电阻点焊(RSW)工艺的影响，制备了四个钢样品。首先，通过使用9.5kA、26次循环和800磅的焊接参数焊接两个钢板来制备对照样品。使用圆顶形焊接电极(TB-25-TUFF)。对照样品中不使用HEA。

还使用两个钢板和上述焊接参数制备一个本发明的样品，其中使用相同的焊接电极(圆顶形)以避免当电极压在接头上时箔从钢板分离。本发明的样品还在封闭接头的顶部和底部的点焊的两个外表面中的每一个上含有HEA箔。HEA由Fe、Ni、Co和Mn组成。

图24A为对照样品的两个横截面的照片。图24B示出了对照样品在图24A中标示为1、2、3和4的位置处的光学显微照片。如图24B中所示，光学显微照片显示了钢板上电极压痕(焊肩)边缘处出现的1型LME裂纹。裂纹长度范围为约10至100μm。

图25A示出了本发明样品的两个横截面的照片。图25B示出了本发明样品在图25A中标示为1、2、3和4的位置处的光学显微照片。如图25B中所示，光学显微照片显示本发明样品中不存在LME裂纹，尤其是在对照样品中观察到LME裂纹的相同位置处。

Claims (23)

1.一种多材料部件，其包含：

第一构件；

第二构件；和

第三构件，其将所述第一构件接合至所述第二构件，

其中所述第一构件和所述第二构件中的至少之一包含具有涂层的铁和/或钢，其中所述涂层包含Zn，

其中所述第三构件包含高熵合金，所述高熵合金包含至少四种主要的主量元素，和

其中所述至少四种主要的主量元素中之一为Co。

2.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述至少四种主要的主量元素中之一为Cu。

3.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述至少四种主要的主量元素中之一为Fe。

4.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述至少四种主要的主量元素中之一为Mn。

5.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述至少四种主要的主量元素中之一为Ni。

6.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述至少四种主要的主量元素中之一为Zn。

7.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述高熵合金包含至少一种主要的微量元素，其中所述至少一种主要的微量元素包含Zn。

8.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述至少四种主要的主量元素中的两种为Cu和Zn。

9.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述至少四种主要的主量元素中之一为Cu，并且其中所述高熵合金还包含至少一种主要的微量元素，所述至少一种主要的微量元素包含Zn。

10.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述第一构件和所述第二构件两者都包含具有涂层的铁和/或钢，其中所述涂层包含Zn。

11.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述第三构件至少部分地位于所述第一构件与所述第二构件之间，并且其中所述第一构件被点焊至所述第三构件且所述第二构件被点焊至所述第三构件。

12.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述高熵合金具有大于1.5R的混合熵。

13.一种多材料部件，其包含：

第一构件，所述第一构件包含第一金属或第一金属合金；

第二构件，所述第二构件包含第二金属或第二金属合金；和

第三构建，所述第三构件将所述第一构件接合至所述第二构件，

其中所述第一金属或第一金属合金和所述第二金属或第二金属合金中的至少之一包含具有涂层的铁和/或钢，其中所述涂层包含Zn，

其中所述第三构件包含高熵合金，所述高熵合金包含至少四种主要的主量元素，

其中所述至少四种主要的主量元素中之一为Cu。

14.根据权利要求13所述的多材料部件，其中所述至少四种主要的主量元素中之一为Fe。

15.根据权利要求13所述的多材料部件，其中所述至少四种主要的主量元素中之一为Mn。

16.根据权利要求13所述的多材料部件，其中所述至少四种主要的主量元素中之一为Ni。

17.根据权利要求13所述的多材料部件，其中所述至少四种主要的主量元素中之一为Zn。

18.根据权利要求13所述的多材料部件，其中所述高熵合金包含至少一种主要的微量元素，其中所述至少一种主要的微量元素包含Zn。

19.根据权利要求13所述的多材料部件，其中所述第一构件和所述第二构件两者都包含具有涂层的铁和/或钢，其中所述涂层包含Zn。

20.根据权利要求13所述的多材料部件，其中所述第三构件至少部分地位于所述第一构件与所述第二构件之间，并且其中所述第一构件被点焊至所述第三构件且所述第二构件被点焊至所述第三构件。

21.根据权利要求13所述的多材料部件，其中所述高熵合金具有大于1.5R的混合熵。

22.一种制造多材料部件的方法，其包括：

提供第一构件；

提供第二构件；和

用包含高熵合金的第三构件将所述第一构件接合至所述第二构件以形成所述多材料部件，

其中所述第一构件和所述第二构件中的至少之一包含具有涂层的铁和/或钢，其中所述涂层包含Zn，

其中所述高熵合金包含至少四种主要的主量元素，和

其中所述至少四种主要的主量元素中之一为Co、Cu或Zn。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述第一构件和所述第二构件两者都包含具有涂层的铁和/或钢，其中所述涂层包含Zn。

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