CN114951946B - 一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法 - Google Patents

一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，其特征在于，以(CoCrFeNi)1‑xCux高熵合金作为过渡层材料，通过SPS技术对钨钴类硬质合金和42CrMo钢进行固相扩散焊接，完成钨钴类硬质合金与42CrMo钢的连接；其中x＝0.1‑0.5。本发明提供的采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，以(CoCrFeNi)1‑xCux高熵合金作为过渡层材料，旨在抑制焊接处脆性相的生成，减小残余应力，使得焊接头的性能得到提高，进而使得硬质合金与钢焊接的整体可靠性提升。

Description

一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法。
背景技术
硬质合金的用途非常广泛，可分为三大类：金属切削工具，凿岩工具和磨损部件，而金属切削是钨钴类硬质合金的最大市场，但是硬质合金的制造加工困难，生成成本高，韧性差脆性较大，这些因素极大的制约了硬质合金的应用场合。目前将硬质合金连接在容易加工制造、力学性能优异且价格较硬质合金便宜的高强度、高韧性钢进行有效的连接而形成具有优异综合性能的工器件。
扩散复合技术是硬质合金与钢的连接方法之一。扩散焊属于固相连接技术的一种，其具有诸多特点：焊接时因基体不过热、不熔化，可在不降低焊件性能的情况下焊接金属或非金属；接头质量好、精度高、变形小；可以焊接结构复杂、接头不易接近以及厚薄相差较大的工件；能对组装件中许多接头同时实施焊接。目前多采用铜作为“过渡层材料”对钨钴类硬质合金与42CrMo钢进行扩散焊，铜的价格较高。
硬质合金与钢的线膨胀系数、熔点、比热容等物理性能都有较大的差异。其中硬质合金的线膨胀系数远小于钢，这会导致硬质合金和钢在焊接中处于不同的应力状态，进而使得焊接接头的有较高的残余应力，而从使得接头有开裂可能。当焊接的温度过高时，会导致母材性能发生变化，而焊接温度偏低则会出现气孔等缺陷。同时在焊接过程中容易出现脆性相，接头易产生脆化。因此如何低成本地、可靠地实现扩散连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢，已成为钨钴类硬质合金应用领域的关键难题。
鉴于此，有必要提供一种新的工艺解决钨钴类硬质合金和42CrMo钢焊接的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，以(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金作为过渡层材料，旨在抑制焊接处脆性相的生成，减小残余应力，使得焊接头的性能得到提高，进而使得硬质合金与钢焊接的整体可靠性提升。
为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，以(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金作为过渡层材料，通过SPS技术对钨钴类硬质合金和42CrMo钢进行固相扩散焊接，完成钨钴类硬质合金与42CrMo钢的连接；其中x＝0.1-0.5。
进一步地，(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金材料是将各合金元素按原子比配比后采用真空弧熔炼得到。
进一步地，采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法具体包括如下步骤：
步骤S1，母材准备：将钨钴类硬质合金和42CrMo钢切割成待焊接的形状，并进行预处理；
步骤S2，装配：将钨钴类硬质合金、42CrMo钢和(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金材料装配至石墨模具中，且(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金材料位于钨钴类硬质合金和42CrMo钢之间；
步骤S3，放电等离子SPS扩散焊连接：将装有待焊件的石墨模具置入放电等离子烧结系统中，在真空条件下升温至扩散焊温度，随后保温，进行SPS扩散焊。
进一步地，步骤S2中，(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金材料的厚度为100-2000μm。
进一步地，步骤S3中，扩散温度为650-1000℃，升温速率为10-150℃/min，扩散焊温度下保温时间为5-30min，扩散压力为5-40Mpa，真空度≤1×10-3Mpa。
与现有技术相比，本发明提供的采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，有益效果在于：
一、本发明提供的采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，将(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金(其中x＝0.1-0.5，Cu(at％)＝10％-50％，Co、Cr、Fe和Ni四种元素具有等摩尔量)作为连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的“过渡层材料”，利用放电等离子烧结技术(SparkPlasma Sintering，SPS)连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢，本发明所采用(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金“过渡层材料”是一种双相高熵合金，一相为富铜相，一相为贫铜相，根据扩散定律，在钨钴类硬质合金与高熵合金“过渡层材料”形成的界面处，高熵合金“过渡层材料”的Co、Cr、Fe、Ni和Cu原子快速向钨钴类硬质合金扩散，同时钨钴类硬质合金中浓度高于“过渡层材料”的元素向“过渡层材料”侧扩散，高熵合金“过渡层材料”与42CrMo形成的界面处，也是元素浓度高的向低浓度方向扩散，但是由于高熵合金的存在使得金属间化合物脆性相得到抑制，最后高熵合金“过渡层材料”分别与钨钴类硬质合金母材和42CrMo钢母材形成具有较小原子浓度梯度的、一定厚度的焊接界面层，通过“过渡层材料”实现了母材之间热膨胀系数的平滑过渡，有利于解决热膨胀系数不匹配引起局部残余应力过大，导致焊接界面萌生裂纹并快速扩展的难题。通过本发明的方法，获得了较高强度的接头，扩散焊所获得的接头拉伸强度大于单质铜焊接后所获得接头的拉伸强度，为连接钨钴类硬质合金和钢提供了新的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中采用(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；
图2为实施例1中采用(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”接头的组织形貌照片；
图3为实施例1中采用(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；
图4为实施例1中采用(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”接头的界面EDS线扫结果图；
图5为实施例1中采用(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的界面EDS线扫结果图；
图6为实施例2中采用(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；
图7为实施例2中采用(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金“过渡层材料”接头的组织形貌照片；
图8为实施例2中采用(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；
图9为实施例3中采用(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；
图10为实施例3中采用(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金“过渡层材料”接头的组织形貌照片；
图11为实施例3中采用(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；
图12为实施例4中采用(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；
图13为实施例4中采用(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金“过渡层材料”接头的组织形貌照片；
图14为实施例4中采用(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；
图15为实施例5中采用(CoCrFeNi)0.9Cu0.1高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.9Cu0.1高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；
图16为实施例5中采用(CoCrFeNi)0.9Cu0.1高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.9Cu0.1高熵合金“过渡层材料”接头的组织形貌照片；
图17为实施例5中采用(CoCrFeNi)0.9Cu0.1高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的(CoCrFeNi)0.9Cu0.1高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；
图18为对比例1中采用纯铜作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/纯铜“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；
图19为对比例1中采用纯铜作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/纯铜“过渡层材料”接头的组织形貌照片；
图20为对比例1中采用纯铜作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的纯铜“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。
一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，以(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金作为过渡层材料，通过SPS技术对钨钴类硬质合金和42CrMo钢进行固相扩散焊接，完成钨钴类硬质合金与42CrMo钢的连接；其中x＝0.1-0.5。
具体的，包括如下步骤：
(1)制备高熵合金“过渡层材料”：(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金按摩尔比称量Co、Cr、Fe、Ni和Cu原料，随后将其按熔点从低到高的顺序依次放入真空熔炼炉的坩埚中，在高纯氩气保护下，进行真空电弧熔炼，至少反复熔炼5次，得到铸锭；其中x可以为0.1、0.2、0.3、0.4或0.5，也可以为0.1-0.5中的其他数值；
将铸锭进行轧制，轧制到的厚度大于焊接时“过渡层材料”设定的厚度，得到轧制薄板；
利用线切割将轧制薄板切割出与母材直径一致的薄圆片；
将薄片用SiC砂纸打磨、抛光、超声波作用下酒精清洗、干燥箱干燥处理，最终得到表面光滑的高熵合金“过渡层材料”，高熵合金“过渡层材料”的最终厚度为100-2000μm；
(2)母材准备：用线切割将直径一致的钨钴类硬质合金和42CrMo圆棒切割成需要的长度，得到待焊钨钴类硬质合金圆棒和待焊42CrMo钢圆棒，将待焊钨钴类硬质合金圆棒和待焊42CrMo钢圆棒各表面打磨光滑，去除氧化层等，对待焊钨钴类硬质合金圆棒和待焊42CrMo钢圆棒的待焊接面进行精细的打磨，随后进行抛光，再将待焊钨钴类硬质合金圆棒和待焊42CrMo钢圆棒进行超声波清洗、干燥处理；
(3)装配：将钨钴类硬质合金、42CrMo钢和(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金“过渡层材料”，自上而下按照石墨冲头-石墨垫片-待焊42CrMo钢圆棒-(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金“过渡层材料”-待焊钨钴类硬质合金圆棒-石墨垫片-石墨冲头的顺序装配到石墨模具中，在将其装配完成的模具放入放电等离子烧结系统中；
(4)放电等离子SPS扩散连接：将装有待焊件的石墨模具置入放电等离子烧结系统中，调整红外测温仪镜头对准模具测温孔，调节扩散连接压力5-40Mpa，打开真空泵和充气泵使炉内真空度≤1×10-3Mpa，然后通电流升温(升温速率10-150℃/min)至扩散焊温度(650-1000℃)，随后保温5-30min，进行SPS扩散焊，得到焊接接头。
具体的，扩散连接压力可以为5Mpa、8Mpa、10Mpa、15Mpa、20Mpa、25Mpa、30Mpa、35Mpa或40Mpa，也可以为该范围内的其他压力值；
升温速率可以为10℃/min、20℃/min、30℃/min、40℃/min、50℃/min、60℃/min、70℃/min、80℃/min、90℃/min、100℃/min、110℃/min、120℃/min、130℃/min、140℃/min或150℃/min，也可以为该范围内的其他值；
扩散焊温度可以为650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃或1000℃，或该范围内的其他温度值；
保温时间可以为5min、10min、15min、20min、25min或30min，也可以为该范围内的其他时间值。
需要说明的是，本发明中母材、高熵合金“过渡层材料”的形状除了为圆形外，还可以为方形或其他形状。
以下通过具体的实施例对本发明提供的熵陶瓷和金属的连接方法进行详细阐述。
实施例1
一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，包括如下步骤：
(1)、高熵合金“过渡层材料”的制备
(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金按摩尔比称量Co、Cr、Fe、Ni和Cu原料，随后将其按熔点从低到高的顺序依次放入真空熔炼炉的坩埚中，在高纯氩气保护下，进行真空电弧熔炼，至少反复熔炼5次，得到铸锭；
将铸锭进行轧制，轧制到1000μm的厚度，得到轧制薄板；
利用线切割将轧制薄板切割出
Figure BDA0003627205430000071
的薄圆片；
将薄圆片用SiC砂纸打磨、抛光、超声波作用下酒精清洗、干燥箱干燥处理，最终得到表面光滑的高熵合金“过渡层材料”，高熵合金“过渡层材料”的最终厚度为700-800μm；
(2)、母材准备
用线切割将直径
Figure BDA0003627205430000072
的YG10X硬质合金和42CrMo圆棒切割成14.5mm长度，得到待焊YG10X硬质合金圆棒和待焊42CrMo钢圆棒，将待焊YG10X硬质合金圆棒和待焊42CrMo钢圆棒各表面打磨光滑，去除氧化层等，对待焊YG10X硬质合金圆棒和待焊42CrMo钢圆棒的待焊接面进行精细的打磨，随后进行抛光，再将待焊YG10X硬质合金圆棒和待焊42CrMo钢圆棒进行超声波清洗、干燥处理；
(3)、装配
将钨钴类硬质合金，42CrMo钢和(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”，自上而下按照石墨冲头-石墨垫片-待焊42CrMo钢圆棒-(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”-待焊YG10X硬质合金圆棒-石墨垫片-石墨冲头的顺序装配到石墨模具中，在将其装配完成的模具放入放电等离子烧结系统中；
(4)、放电等离子扩散连接
将装有待焊件的石墨模具置入放电等离子烧结系统中，调整红外测温仪镜头对准模具测温孔，调节扩散连接压力10Mpa，打开真空泵和充气泵使炉内真空度≤1×10-3Mpa，然后通电流以100℃/min的速度升温至900℃，随后保温15min，进行SPS扩散焊，随后随炉冷却得到焊接接头。
最终得到的焊接件，用线切割从焊接件中间取狗骨状拉伸试样(垂直于焊接面取样)，在万能试验机上进行室温拉伸性能的测试。
请结合参阅图1至图5，其中图1为实施例1中采用(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；图2为实施例1中采用(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”接头的组织形貌照片；图3为实施例1中采用(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；图4为实施例1中采用(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”接头的界面EDS线扫结果图；图5为实施例1中采用(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的界面EDS线扫结果图。从图中可以看出接头结合情况较好，无明显裂纹，从点分析中可以看出，在图3中的界面处的元素扩散较活跃，在“过渡层材料”一侧有富铜相、贫铜相、富铬相等。而在图2中的界面处，在“过渡层材料”一侧也有类似现象，虽然其结合也较好，但是在拉伸试验中该界面为最薄弱的地方，最终的断裂发生在该处。
实施例2
本实施例的一种采用采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，实验步骤重复实施例1，不同之处仅在于：将(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”换成(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金“过渡层材料”，其它条件和实施例1相同，最终获得以(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金作为“过渡层材料”，采用放电等离子扩散焊接实现YG10X硬质合金和42CrMo钢的连接。
最终得到的焊接件，用线切割也是从焊接件中间取狗骨状拉伸试样(垂直于焊接面取样)，同实施例1一般在万能试验机上进行室温拉伸性能的测试。
请结合参阅图6、图7和图8，其中图6为实施例2中采用(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；图7为实施例2中采用(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金“过渡层材料”接头的组织形貌照片；图8为实施例2中采用(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片。从图中同样可以看出接头结合情况整体较好，但是较实施例1来说，无论是YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金“过渡层材料”接头还是(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金“过渡层材料”/42CrMo接头，都存在更多的缺陷。
实施例3
本实施例的一种采用采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，实验步骤重复实施例1，不同之处仅在于：将(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”换成(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金“过渡层材料”，其它条件和实施例1相同，最终获得以(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金作为“过渡层材料”，采用放电等离子扩散焊接实现YG10X硬质合金和42CrMo钢的连接。
最终得到的焊接件，用线切割也是从焊接件中间取狗骨状拉伸试样(垂直于焊接面取样)，同实施例1一般在万能试验机上进行室温拉伸性能的测试。
请结合参阅图9至图11，其中图9为实施例3中采用(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；图10为实施例3中采用(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金“过渡层材料”接头的组织形貌照片；图11为实施例3中采用(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片。从图中可以看出其与实施例2的类似，虽然接头结合情况整体较好，但是存在的缺陷较实施例1来说较多。
实施例4
本实施例的一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，实验步骤重复实施例1，不同之处仅在于：将(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”换成(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金“过渡层材料”，其它条件和实施例1相同，最终获得以(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金作为“过渡层材料”，采用放电等离子扩散焊接实现YG10X硬质合金和42CrMo钢的连接。
最终得到的焊接件，用线切割也是从焊接件中间取狗骨状拉伸试样(垂直于焊接面取样)，同实施例1一般在万能试验机上进行室温拉伸性能的测试。
请结合参阅图12-图14，其中图12为实施例4中采用(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；图13为实施例4中采用(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金“过渡层材料”接头的组织形貌照片；图14为实施例4中采用(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片。从图中看出(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金“过渡层材料”/42CrMo接头的组织形貌与前几个实施例类似，但较实施例1来说存在更多的缺陷，在YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金“过渡层材料”接头的组织形貌中看出在接近YG10X附近的(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金“过渡层材料”中出现了在实施例2-3中没有观察到的富集相。
实施例5
本实施例的一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，实验步骤重复实施例1，不同之处仅在于：将(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”换成(CoCrFeNi)0.9Cu0.1高熵合金“过渡层材料”，其它条件和实施例1相同，最终获得以(CoCrFeNi)0.9Cu0.1高熵合金作为“过渡层材料”，采用放电等离子扩散焊接实现YG10X硬质合金和42CrMo钢的连接。
最终得到的焊接件，用线切割也是从焊接件中间取狗骨状拉伸试样(垂直于焊接面取样)，同实施例1一般在万能试验机上进行室温拉伸性能的测试。
请结合参阅图15-图17，其中图15为实施例5中采用(CoCrFeNi)0.9Cu0.1高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.9Cu0.1高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；图16为实施例5中采用(CoCrFeNi)0.9Cu0.1高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.9Cu0.1高熵合金“过渡层材料”接头的组织形貌照片；图17为实施例5中采用(CoCrFeNi)0.9Cu0.1高熵合金作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的(CoCrFeNi)0.9Cu0.1高熵合金“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片。从图中看出(CoCrFeNi)0.9Cu0.2高熵合金“过渡层材料”/42CrMo接头的组织形貌与前几个实施例类似，但较实施例1来说同样存在更多的缺陷，但是较实施例4来说，在YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.9Cu0.2高熵合金“过渡层材料”接头的组织形貌中看出在接近YG10X附近的(CoCrFeNi)0.9Cu0.2高熵合金“过渡层材料”中出现了较实施例4更多的富集相。
实施例6
本实施例的一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，实验步骤重复实施例1，不同之处仅在于将扩散焊接温度由900℃调整为950℃，其它条件和实施例1相同，最终获得以(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金作为“过渡层材料”，采用放电等离子扩散焊接实现YG10X硬质合金和42CrMo钢的连接。最终得到的焊接件，用线切割也是从焊接件中间取狗骨状拉伸试样(垂直于焊接面取样)，同实施例1一般在万能试验机上进行室温拉伸性能的测试。
实施例7
本实施例的一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，实验步骤重复实施例1，不同之处在于将扩散焊接温度由900℃调整为950℃，并将(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”换成(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金“过渡层材料”，其它条件和实施例1相同，最终获得以(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金作为“过渡层材料”，采用放电等离子扩散焊接实现YG10X硬质合金和42CrMo钢的连接。并且最终得到的焊接件，用线切割也是从焊接件中间取狗骨状拉伸试样(垂直于焊接面取样)，同实施例1一般在万能试验机上进行室温拉伸性能的测试。
实施例8
本实施例的一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，实验步骤重复实施例1，不同之处在于将扩散焊接温度由900℃调整为950℃，并将(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”换成(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金“过渡层材料”，其它条件和实施例1相同，最终获得以(CoCrFeNi)0.7Cu0.3高熵合金作为“过渡层材料”，采用放电等离子扩散焊接实现YG10X硬质合金和42CrMo钢的连接。并且最终得到的焊接件，用线切割也是从焊接件中间取狗骨状拉伸试样(垂直于焊接面取样)，同实施例1一般在万能试验机上进行室温拉伸性能的测试。
实施例9
本实施例的一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，实验步骤重复实施例1，不同之处在于将扩散焊接温度由900℃调整为950℃，并将(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”换成(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金“过渡层材料”，其它条件和实施例1相同，最终获得以(CoCrFeNi)0.8Cu0.2高熵合金作为“过渡层材料”，采用放电等离子扩散焊接实现YG10X硬质合金和42CrMo钢的连接。并且最终得到的焊接件，用线切割也是从焊接件中间取狗骨状拉伸试样(垂直于焊接面取样)，同实施例1一般在万能试验机上进行室温拉伸性能的测试。
对比例1
一种钨钴类硬质合金和42CrMo钢的连接方法，采用纯铜作为过渡层材料，其工艺包括如下步骤：
(1)纯铜“过渡层材料”的准备
直径
Figure BDA0003627205430000131
紫铜薄片，其厚度为900μm(纯度≥99.95％)，随后将薄圆片用SiC砂纸打磨、抛光、超声波作用下酒精清洗、干燥箱干燥处理，最终得到表面光滑的纯铜“过渡层材料”，纯铜“过渡层材料”的最终厚度为700-800μm；
(2)母材准备
用线切割将直径
Figure BDA0003627205430000132
的YG10X硬质合金和42CrMo圆棒切割成14.5mm长度，得到待焊YG10X硬质合金圆棒和待焊42CrMo钢圆棒，将待焊YG10X硬质合金圆棒和待焊42CrMo钢圆棒各表面打磨光滑，去除氧化层等，对待焊YG10X硬质合金圆棒和待焊42CrMo钢圆棒的待焊接进行精细的打磨，随后进行抛光，再将待焊YG10X硬质合金圆棒和待焊42CrMo钢圆棒进行超声波清洗、干燥处理；
(3)装配
将钨钴类硬质合金，42CrMo钢和纯铜“过渡层材料”，自上而下按照石墨冲头-石墨垫片-待焊42CrMo钢圆棒-纯铜“过渡层材料”-待焊YG10X硬质合金圆棒-石墨垫片-石墨冲头的顺序装配到石墨模具中，在将其装配完成的模具放入放电等离子烧结系统中；
(4)放电等离子扩散连接
将装有待焊件的石墨模具置入放电等离子烧结系统中，调整红外测温仪镜头对准模具测温孔，调节扩散连接压力10Mpa，打开真空泵和充气泵使炉内真空度≤1×10-3Mpa，然后通电流以100℃/min的速度升温至900℃，随后保温15min，进行SPS扩散焊，随后随炉冷却得到焊接接头。
最终得到的焊接件，用线切割从焊接件中间取狗骨状拉伸试样，进行室温拉伸性能的测试，测试中的最终断裂位置为纯铜“过渡层材料”，而非纯铜“过渡层材料”与YG10X硬质合金和42CrMo钢交接处。
请结合参阅图18-图20，其中图18为对比例1中采用纯铜作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/纯铜“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片；图19为对比例1中采用纯铜作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的YG10X硬质合金/纯铜“过渡层材料”接头的组织形貌照片；图20为对比例1中采用纯铜作为“过渡层材料”进行SPS扩散焊，在900℃时保温15min获得的纯铜“过渡层材料”/42CrMo钢接头的组织形貌照片。从图中可以看出接头结合情况较好。
将实施例1-9、对比例1中获得的扩散焊接接头，焊接样中间取狗骨状拉伸试样(垂直于焊接面取样)，置于万能试验机上检测其的拉伸强度，其结果如表1所示。
表1：各实施例和对对比例的拉伸试样的最大抗拉强度
Figure BDA0003627205430000141
由表1的接头抗拉强度结果可以看出，在相同的焊接条件下，当采用纯铜作为“过渡层材料”时，接头的最薄弱地方为纯铜“过渡层材料”，最终接头的抗拉强度为纯铜“过渡层材料”的抗拉强度。采用(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金作为“过渡层材料”，当x的值为0.3-0.5时，在实施例1-3中接头的抗拉强度超过采用纯铜作为“过渡层材料”的抗拉强度。实施例1-5中抗拉强度最高的实施例1阐述造成其强度提高可能的原因是，在采用(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”时，如图3所示，在(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”/42CrMo接头的组织形貌图中的E点，其主要元素的含量分别为：Fe(48.44％)、Co(19.60％)、Cr(7.69％)、Ni(15.35％)、Cu(8.92％)，根据混合焓计算公式：
Figure BDA0003627205430000151
其中
Figure BDA0003627205430000152
为二元合金体系中基于Medema模型计算得到的第i种和j种组元之间的理想混合焓。其中Fe-Co的混合焓为-1kJ/mol，Fe-Cr的混合焓为-1kJ/mol，Fe-Ni的混合焓为-2kJ/mol，Fe-Cu的混合焓为13kJ/mol，Co-Cr的混合焓为-4kJ/mol，Co-Ni的混合焓为0kJ/mol，Co-Cu的混合焓为6kJ/mol，Cr-Ni的混合焓为-7kJ/mol，Cr-Cu的混合焓为12kJ/mol，Ni-Cu的混合焓为4kJ/mol经过计算可以得到ΔHmix≈1.52kj/mol。
再进行原子尺寸差异δ的计算，其可由下面公式进行计算得到：
Figure BDA0003627205430000153
ri表示的是高熵合金中第i种组元的原子半径，
Figure BDA0003627205430000154
表示平均原子半径，计算后可得
Figure BDA0003627205430000155
原子尺寸差异δ可由下面公式进行计算得到：
Figure BDA0003627205430000156
当-2.68δ-2.54＜ΔHmix＜-1.28δ+5.44并且δ＜4.60，合金的微观结构由固溶体组成。以上的计算结果符合上述不等式，趋向于形成固溶体。同样的在F点处的Fe(70.22％)、Co(10.65％)、Cr(5.57％)、Ni(8.87％)、Cu(4.69％)计算后所得的ΔHmix、δ也符合上述不等式，固溶强化使得界面的强度提高。
同时从图5的接头界面EDS线扫结果图也可以看出扩散行为也较充分，缺陷的存在量较少，固其所得的界面强度高于YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”形成的界面，使得拉伸试验最终的断裂出现在YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”形成的界面附近。
根据图4的接头界面EDS线扫结果图中可以发现W在“过渡层材料”中的扩散距离较低，这可能是由于采用了(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”，由于迟滞扩散效应使得W在“过渡层材料”中的扩散距离较低，而界面发现的主要扩散行为是(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”向YG10X硬质合金侧进行扩散，可以发现该扩散较显著，同时因为采用的是钴基硬质合金，而Co-Fe的混合焓为-1kJ/mol，Co-Cr的混合焓为-4kJ/mol，Co-Ni的混合焓为0kJ/mol，Co-Cu的混合焓为6kJ/mol，其中Co-Ni的混合焓为0kJ/mol，这意味着Co与Ni形成固溶体更容易，促进高熵合金“过渡层材料”的Ni向YG10X硬质合金侧扩散，使得扩散进一步充分，同时界面的结合情况也较好，使得YG10X硬质合金/(CoCrFeNi)0.5Cu0.5高熵合金“过渡层材料”形成的界面的最大抗拉强度达到508Mpa。
而在实施例6-9中，提高温度使得最大抗拉强度出现变换，原因是：
当x的值增加时，根据混合法则，五种“过渡层材料”的理论熔点的大小为(CoCrFeNi)0.9Cu0.1＞(CoCrFeNi)0.8Cu0.2＞(CoCrFeNi)0.7Cu0.3＞(CoCrFeNi)0.6Cu0.4＞(CoCrFeNi)0.5Cu0.5，900摄氏度对于采用低熔点的(CoCrFeNi)0.5Cu0.5“过渡层材料”来说该焊接条件下具有产生较多的界面相互扩散和反应所需的能量，而其它高熵合金“过渡层材料”则需要更高的焊接温度或焊接时间等，所以其界面较其它更高理论熔点的“过渡层材料”来说，接头的组织形貌中仅存在极小量的缺陷，同时采用(CoCrFeNi)0.5Cu0.5使得接头的整体抗拉强度提高，强于采用传统的纯铜“过渡层材料”得到的接头整体抗拉强度。其它高熵合金“过渡层材料”的接头界面情况和抗拉强度可能在提高焊接温度和扩散时间等参数下后将有所改善和提高。在实施例6-9中依次对应着实施例1-4，它们采用高熵合金“过渡层材料”相同，仅焊接温度提高到950℃，其它焊接条件相同，实施例7和实施例9相比较于实施例2和实施例4的抗拉强度有所提高。当焊接温度提高到950℃，使得抗拉强度最大值出现在采用(CoCrFeNi)0.6Cu0.4高熵合金“过渡层材料”的实施例7中。
本发明采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，有助于解决钨钴类硬质合金与42CrMo钢焊接润湿困难和线膨胀系数差异大引起较大残余应力的难题。通过引入(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金作为“过渡层材料”，将钨钴类硬质合金和42CrMo钢在较高温度下(≥650℃)进行扩散连接，在此温度范围，两者润湿性良好，元素之间相互扩散，采用(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金“过渡层材料”在界面较难形成金属间化合物。借助高熵效应形成组织均匀分布的界面层，实现了在线膨胀系数、熔点、比热容等物理性能都有较大差异的钨钴类硬质合金与42CrMo钢连接，实现了较平滑地过渡，减小了局部残余应力，抑制裂纹的形成、扩展，提高了接头强度。最后存在焊接件拉伸试样的拉伸强度大于采用纯铜“过渡层材料”的拉伸强度，因此，以(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金为“过渡层材料”，采用放电等离子烧结(SPS)扩散焊接能够实现钨钴类硬质合金和42CrMo钢之间的高强度连接。
以上对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，其特征在于，以(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金作为过渡层材料，通过SPS技术对钨钴类硬质合金和42CrMo钢进行固相扩散焊接，完成钨钴类硬质合金与42CrMo钢的连接；其中x=0.4-0.5；
其连接方法包括如下步骤：
步骤S1，母材准备：将钨钴类硬质合金和42CrMo钢切割成待焊接的形状，并进行预处理；
步骤S2，装配：将钨钴类硬质合金、42CrMo钢和(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金材料装配至石墨模具中，且(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金材料位于钨钴类硬质合金和42CrMo钢之间；
步骤S3，放电等离子SPS扩散焊连接：将装有待焊件的石墨模具置入放电等离子烧结系统中，在真空条件下升温至扩散焊温度，随后保温，进行SPS扩散焊；其中扩散温度为800-950℃，扩散焊接时间为5-30min。
2.根据权利要求1所述的采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，其特征在于，(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金材料是将各合金元素按原子比配比后采用真空弧熔炼得到。
3.根据权利要求1所述的采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，其特征在于，步骤S2中，(CoCrFeNi)1-xCux高熵合金材料的厚度为100-2000μm。
4.根据权利要求1所述的采用高熵合金连接钨钴类硬质合金和42CrMo钢的方法，其特征在于，步骤S3中，升温速率为10-150℃/min，扩散压力为5-40Mpa，真空度≤1×10-3Mpa。
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