CN115971718A - 一种铝/钢异种金属熔焊原位形成多主元共晶高熵焊缝的填充材料及其焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接铝/钢异种金属技术领域。本发明提供了一种铝/钢异种金属熔焊原位形成多主元共晶高熵焊缝的填充材料及其焊接方法。填充材料由如下原子百分比的原料制备得到：Cu20～50％、Ni15～45％、Mn20～40％。本发明将Cu、Ni和Mn制备的混合粉末作为焊接铝/钢异种金属的填充材料，利用激光热源+同轴送粉技术，使Fe、Al、Cu、Ni和Mn元素在焊缝熔池中发生共晶反应形成FCC固溶体相与B2相交替排列的共晶或近共晶高熵合金结构，其优异的强韧性与液态成型性在提高铝/钢异种金属焊接接头强韧性的同时改善了焊缝的成型性能，实现了铝/钢异种金属的高质量焊接，且制备过程简便，焊接成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及焊接铝/钢异种金属技术领域，尤其涉及一种铝/钢异种金属熔焊原位形成多主元共晶高熵焊缝的填充材料及其焊接方法。
背景技术
铝合金密度小、比强度高、具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，铝/钢异种金属构件在航空、造船、石油化工、原子能和车辆制造工业具有独特的优势和良好的经济效益。但铝与钢之间的冶金相容性极差，易形成Fe-Al脆性金属间化合物，严重劣化接头性能。为了改善铝/钢异种金属的焊缝成型，提高焊接接头的力学性能，许多学者在焊缝中加入了合金元素，如，通过加入Cu、Ni、Zn和Si来减少焊缝Fe-Al脆性金属间化合物的生成。合金元素主要以金属薄膜、金属薄片、金属镀层、合金焊丝和合金钎料的方式添加。如，“一种焊丝和其应用于铝及铝合金与钢焊接的方法(CN101284339A)”、“一种铝钢异种材料钎焊用钎料(CN106216874A)”、“一种预置中间层提高异种金属接头强度的激光熔钎焊方法(CN114905105A)”和“铝钢异种金属激光熔钎焊焊接方法和填充粉末(CN102764934A)”。这些方法虽然可以避免Fe、Al元素的接触，有效减少Fe-Al脆性金属间化合物的生成，但仍有其他脆性金属间化合物的产生，如Al2Cu、Ni3Al、FeZn10等。
高熵合金是由五种或五种以上主元形成的合金，具有高混合熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应，能使合金获得更高的强度和硬度。作为铝/钢异种金属的中间层，高熵合金的高混合熵效应与迟滞扩散效应借助Fe、Al元素在高熵合金中有一定固溶度的优势，可减少铝/钢异种金属焊缝金属间化合物的生成。如，“基于高熵合金中间层铝/钢异种金属双光束激光焊接方法(CN113500293B)”和“采用镍基高熵合金中间层的钢-铝合金激光焊接方法(CN114406469A)”中制备高熵合金金属片作为焊缝中间夹层；“用于铝-钢MIG焊接的高熵药芯焊丝及其制备方法(CN108161278A)”和“用于铝-钢埋弧焊焊接的高熵药芯焊丝及其制备方法(CN108161277A)”中制备了高熵药芯焊丝。但是高熵合金制作工艺流程复杂，且成分调控不便，采用高熵合金中间层或制备高熵合金焊丝在实际应用中存在一定的局限性。据此，有学者提出使用多种金属薄膜或使用多主元金属粉末，在焊缝中直接形成高熵合金结构，以达到减少Fe-Al金属间化合物生成的目的。如，“一种基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法(CN114951997A)”和“一种激光高熵化填粉焊接抑制焊缝脆性金属间化合物生成的方法(CN111590204A)”。然而这一类单相或双相高熵合金焊缝在接头强塑性方面存在缺陷，尤其是铝合金熔化使铝元素进入焊缝熔池，促进焊缝BCC相生成，使接头具有硬脆性特点，接头力学性能并不理想。
由两相组成的共晶高熵合金为近平衡组织，具有高的相稳定性，两相相界能量较低，位错结构稳定。由高塑性相(主要为FCC固溶体相)与高强度相(有序BCC相，B2相)通过共晶生成软硬相交替排列的微观结构，可获得强度和塑性兼顾的共晶高熵合金。共晶高熵合金的软相能形成高密度位错、诱导加工硬化，硬相将萌生微裂纹以缓解应力集中，而软相能阻碍硬相中裂纹的扩展，最终使合金获得理想的拉伸强度与断裂韧性。共晶高熵合金不仅具有良好的强韧性，还具有优异的液态成型性能。可见，把共晶高熵合金引入至铝/钢异种金属焊缝中，通过设定焊缝多主元填充材料，使焊缝形成FCC固溶体相与B2相交替排列的共晶或近共晶高熵合金结构，有望实现焊接接头强度与塑韧性的优异结合，这对改善铝/钢异种金属接头的强韧性具有重要意义。目前，已有学者把共晶高熵合金应用于焊接领域，如“一种用于钛及钛合金与不锈钢钎焊的共晶高熵合金钎料及其制备方法(CN113814604A)”、“一种高熵钎料、其制备方法及其在钎焊中的应用(CN115106675A)”、“一种消除激光焊接GH3030合金焊缝中心低熔点元素偏析和杂质相的方法
(CN114043085A)”和“异质金属添加双相高熵合金中间层的扩散焊方法(CN114888422A)”。但是上述方法共晶高熵合金钎料箔带，钎料需要在焊接前就已经是共晶高熵合金结构，增加了制备共晶高熵合金的工序，提高了焊接成本，且焊接时母材元素进入焊缝可能改变焊缝共晶高熵合金的微观结构，进而影响焊接接头的力学性能。
因此，研究一种工序简单，过程简便，成本较低的用于铝/钢异种金属熔焊原位形成多主元共晶高熵焊缝的填充材料及其焊接方法来解决铝/钢异种金属焊缝成型较差及接头强韧性较差的问题具有良好的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种铝/钢异种金属熔焊原位形成多主元共晶高熵焊缝的填充材料及其焊接方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铝/钢异种金属熔焊原位形成多主元共晶高熵焊缝的填充材料，填充材料由如下原子百分比的原料制备得到：
Cu20～50％、Ni15～45％、Mn20～40％。
作为优选，所述Cu、Ni和Mn的粒径独立的为100～300目，Cu、Ni和Mn的纯度独立的为99.95～99.99％。
本发明还提供了所述的填充材料用于铝/钢异种金属熔焊原位形成多主元共晶高熵焊缝的焊接方法，包含如下步骤：
1)将原料进行球磨，得到混合粉末；
2)将铝板材的焊接侧开坡口后顺次经过碱溶液浸泡和酸溶液浸泡，得到待焊铝板材；将不锈钢板材的焊接侧开坡口后进行喷砂处理，得到待焊不锈钢板材；
3)在激光热源的作用下，混合粉末通过同轴送粉的方式将待焊铝板材和待焊不锈钢板材进行焊接，得到多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属。
作为优选，步骤1)所述球磨的转速为200～250rpm，球磨的时间为1～2h，球磨的球料比为2～4：1。
作为优选，步骤2)所述铝板材为纯铝板材或铝合金板材；铝板材的厚度为1.5～3mm；所述坡口的度数为30～45°。
作为优选，步骤2)所述碱溶液为氢氧化钠溶液；氢氧化钠溶液的体积浓度为5～10％；所述碱溶液浸泡的温度为60～80℃，碱溶液浸泡的时间为30～60s。
作为优选，步骤2)所述酸溶液为硝酸溶液；硝酸溶液的体积浓度为12～18％；所述酸溶液浸泡的温度为20～30℃，酸溶液浸泡的时间为1～3min。
作为优选，步骤2)所述不锈钢板材的厚度为1.5～3mm；所述坡口的度数为45～60°。
作为优选，步骤2)所述喷砂处理的压强为0.6～0.8MPa，喷砂处理的时间为10～15min；喷砂处理时，采用的喷丸为白刚玉；白刚玉的粒径为70～100目。
作为优选，步骤3)所述激光热源的光斑直径为1.5～2mm，激光热源的功率为1000～1300W；所述同轴送粉的速率为10～15g/min；所述焊接的速度为120～360mm/min，焊接在高纯氩气气氛下进行。
本发明的有益效果包括以下几点：
1)本发明将Cu、Ni、Mn三种金属单质制备得到的混合粉末作为铝/钢异种金属熔焊原位形成多主元共晶高熵焊缝的填充材料，利用激光热源+同轴送粉技术，使母材中的Fe、Al元素与填充材料中的Cu、Ni、Mn在焊缝熔池原位发生共晶反应形成FCC固溶体相与B2相交替排列的共晶或近共晶高熵合金焊缝结构，并利用其优异的强韧性与液态成型性能，在提高铝/钢异种金属焊接接头强韧性的同时改善了焊缝的成型性能，实现了铝/钢异种金属的高质量焊接；且减少了制备高熵合金焊接材料的前期工序，过程简便，降低了焊接成本。
2)本发明在焊接过程中形成的共晶或近共晶高熵合金结构的熔点较低，介于铝与钢之间，可减少铝/钢异种金属焊接接头的残余应力；且共晶或近共晶高熵合金结构的液态流动性较好，有利于焊缝成型。
附图说明
图1为本发明制备得到的多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属的焊缝区形成的共晶高熵合金结构示意图；
图2为实施例1制备得到的多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属的焊后接头宏观图；其中(a)图为焊后接头的宏观形貌图，(b)图为焊后接头横截面的宏观形貌图；
图3为实施例1制备得到的多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属的焊缝微观组织形貌图；
图4实施例2制备得到的多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属的焊后接头宏观图；
图5为实施例2制备得到的多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属的焊缝微观组织形貌图。
具体实施方式
本发明提供了一种铝/钢异种金属熔焊原位形成多主元共晶高熵焊缝的填充材料，填充材料由如下原子百分比的原料制备得到：
Cu20～50％、Ni15～45％、Mn20～40％。
本发明的填充材料包含20～50％原子百分比的Cu，优选为25～45％，进一步优选为30～40％，更优选为35％。
本发明的填充材料包含15～45％原子百分比的Ni，优选为20～40％，进一步优选为25～35％，更优选为30％。
本发明的填充材料包含20～40％原子百分比的Mn，优选为25～35％，进一步优选为28～32％，更优选为30％。
本发明中，所述Cu、Ni和Mn的粒径独立的优选为100～300目，进一步优选为150～250目，更优选为200目；Cu、Ni和Mn的纯度独立的优选为99.95～99.99％，进一步优选为99.96～99.98％，更优选为99.97％。
本发明还提供了所述的填充材料用于铝/钢异种金属熔焊原位形成多主元共晶高熵焊缝的焊接方法，包含如下步骤：
1)将原料进行球磨，得到混合粉末；
2)将铝板材的焊接侧开坡口后顺次经过碱溶液浸泡和酸溶液浸泡，得到待焊铝板材；将不锈钢板材的焊接侧开坡口后进行喷砂处理，得到待焊不锈钢板材；
3)在激光热源的作用下，混合粉末通过同轴送粉的方式将待焊铝板材和待焊不锈钢板材进行焊接，得到多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属。
本发明中，步骤1)所述球磨的转速优选为200～250rpm，进一步优选为220～240rpm，更优选为230rpm；球磨的时间优选为1～2h，进一步优选为1.2～1.8h，更优选为1.4～1.6h；球磨的球料比优选为2～4：1，进一步优选为2.5～3.5：1，更优选为3：1。
本发明中，步骤1)球磨时采用的磨球优选为玛瑙珠；玛瑙珠的粒径优选为1～20mm，进一步优选为5～15mm，更优选为8～12mm。
本发明中，步骤1)所述混合粉末优选为干燥后的混合粉末；干燥的温度优选为70～90℃，进一步优选为75～85℃，更优选为80℃；干燥的时间优选为1～2h，进一步优选为1.2～1.8h，更优选为1.4～1.6h。
本发明中，步骤2)所述铝板材优选为纯铝板材或铝合金板材；铝板材的厚度优选为1.5～3mm，进一步优选为2～2.5mm，更优选为2.2mm；所述坡口的度数优选为30～45°，进一步优选为35～40°，更优选为36～38°。
本发明中，步骤2)所述碱溶液优选为氢氧化钠溶液；氢氧化钠溶液的体积浓度优选为5～10％，进一步优选为6～9％，更优选为7～8％；所述碱溶液浸泡的温度优选为60～80℃，进一步优选为65～75℃，更优选为70℃；碱溶液浸泡的时间优选为30～60s，进一步优选为35～55s，更优选为40～50s。
本发明中，步骤2)碱溶液浸泡后优选为用水冲洗铝板材。
本发明中，步骤2)所述酸溶液优选为硝酸溶液；硝酸溶液的体积浓度优选为12～18％，进一步优选为14～16％，更优选为15％；所述酸溶液浸泡的温度优选为20～30℃，进一步优选为22～28℃，更优选为24～26℃；酸溶液浸泡的时间优选为1～3min，进一步优选为1.5～2.5min，更优选为2min。
本发明中，步骤2)酸溶液浸泡后优选为对铝板材顺次进行水冲洗和干燥处理；干燥处理的温度优选为80～90℃，进一步优选为82～88℃，更优选为84～86℃；干燥处理的时间优选为1～2h，进一步优选为1.2～1.8h，更优选为1.4～1.6h。
本发明中，步骤2)所述不锈钢板材的厚度优选为1.5～3mm，进一步优选为2～2.5mm，更优选为2.2mm；所述坡口的度数优选为45～60°，进一步优选为48～55°，更优选为50～52°。
本发明中，步骤2)所述铝板材、不锈钢板材优选为相同的厚度。
本发明中，步骤2)所述喷砂处理的压强优选为0.6～0.8MPa，进一步优选为0.65～0.75MPa，更优选为0.7MPa；喷砂处理的时间优选为10～15min，进一步优选为12～14min，更优选为13min；喷砂处理时，采用的喷丸优选为白刚玉；白刚玉的粒径优选为70～100目，进一步优选为80～90目，更优选为85目。
本发明中，步骤2)不锈钢板材经过喷砂处理后，优选为顺次进行超声清洗、酒精清洗和干燥处理；超声清洗的功率优选为110～130W，进一步优选为115～125W，更优选为120W；超声清洗的时间优选为10～20min，进一步优选为12～18min，更优选为14～16min；酒精清洗优选采用浓度为94～98％的酒精，进一步优选为95～97％，更优选为96％；干燥处理的温度优选为80～90℃，进一步优选为82～88℃，更优选为84～86℃；干燥处理的时间优选为1～2h，进一步优选为1.2～1.8h，更优选为1.4～1.6h。
本发明中，步骤3)所述激光热源的光斑直径优选为1.5～2mm，进一步优选为1.6～1.9mm，更优选为1.7～1.8mm；激光热源的功率优选为1000～1300W，进一步优选为1100～1200W，更优选为1150W；所述同轴送粉的速率优选为10～15g/min，进一步优选为12～14g/min，更优选为13g/min；所述焊接的速度优选为120～360mm/min，进一步优选为200～300mm/min，更优选为240～260mm/min；焊接优选为在高纯氩气气氛下进行。
本发明中，高纯氩气的纯度优选为99.99～99.999％，进一步优选为99.992～99.997％，更优选为99.994～99.995％。
本发明中，步骤3)的待焊铝板材和待焊不锈钢板材会在焊接的过程中发生熔化，其主要元素会进入焊缝熔池与填充材料中的元素发生冶金反应。
本发明中，步骤3)待焊铝板材中的Al元素、待焊不锈钢板材中的Fe元素与填充材料中的Cu、Ni、Mn元素在焊缝熔池中发生共晶反应形成FCC固溶体相与B2相交替排列的共晶或近共晶高熵合金结构。
本发明中，将共晶或近共晶高熵合金中FCC固溶体相和B2相看成伪二元合金，由原子半径相近、混合焓接近零的原子团设计出FCC固溶体相，再利用负混合焓很大的原子团设计出有序的B2相。结合已知含Fe、Al为主元的共晶高熵合金体系，考虑到母材熔化会向焊缝引入Fe、Al元素，设计三种元素(Cu、Ni、Mn)的金属混合粉末作为多主元填充材料。在激光热源的作用下，多主元填充粉末熔化，并在焊缝熔池中与母材主要元素(Fe、Al)发生冶金反应，通过多主元高混合熵值改变焊缝熔池的热力学环境。借助特定的填充材料成分设计，使焊缝熔池发生共晶反应，原位形成FCC固溶体相与B2相交替排列的共晶或近共晶高熵合金结构，利用其良好的液态成型性能与强韧性能，提高铝/钢异种金属焊缝的成型质量与接头的力学性能。
本发明的共晶或近共晶高熵合金体系是含Fe、Al元素的共晶或近共晶高熵合金体系，考虑到焊接过程中铝与钢母材会发生熔化，会向焊缝引入一定量的Fe、Al元素，因此设计的多主元填充材料中不含有Fe、Al元素。最终在激光热源作用下填充材料元素(Cu、Ni、Mn)与母材主要元素(Fe、Al)在焊缝熔池中发生共晶反应，最终在焊缝中原位形成FCC固溶体相与B2相交替排列的共晶或近共晶高熵合金结构，为提高铝/钢异种金属焊缝成型及接头强韧性提供了有效措施。
本发明制备得到的多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属的焊缝区形成的共晶高熵合金结构示意图如图1所示，由图1可知：铝/钢异种金属的焊缝中形成了FCC与B2相交替排列的共晶高熵结构。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
Cu的粒径为100目，Cu的纯度为99.95％；Ni的粒径为150目，Ni的纯度为99.97％；Mn的粒径为200目，Mn的纯度为99.99％。
原料中含有原子百分比为50％的Cu、25％的Ni和25％的Mn，将原料在转速为200rpm的行星式球磨机中以2：1的球料比球磨1h(球磨时所用的磨球为粒径为15mm的玛瑙球)，然后将得到的混合料在70℃下干燥1h，得到混合粉末。
将厚度为1.5mm的纯铝板材的焊接侧开30°的坡口后，在温度为60℃、体积浓度为5％的氢氧化钠溶液中浸泡30s，然后用去离子水冲洗纯铝板材；之后将纯铝板材在温度为20℃、体积浓度为12％的硝酸溶液中浸泡1min后，对纯铝板材顺次进行去离子水冲洗和干燥处理(干燥处理的温度为80℃，干燥处理的时间为1h)，得到待焊铝板材。
将厚度为1.5mm的304不锈钢板材的焊接侧开45°的坡口后，在压强为0.6MPa的条件下喷砂处理10min(喷砂处理时，采用的喷丸为粒径为70目的白刚玉)，然后将不锈钢板材在功率为110W的条件下超声清洗10min，之后顺次对不锈钢板材进行酒精清洗(酒精的浓度为96％)和干燥处理(干燥处理的温度为80℃，干燥处理的时间为1h)，得到待焊不锈钢板材。
使用焊接夹具将待焊铝板材和待焊不锈钢板材固定，在功率为1050W、光斑直径为1.5mm的激光热源的作用下，混合粉末通过同轴送粉的方式将待焊铝板材和待焊不锈钢板材进行焊接(同轴送粉的速率为15g/min，焊接的速度为240mm/min，焊接在纯度为99.99％的高纯氩气气氛下进行)，得到多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属。
本实施例制备得到的多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属的焊后接头宏观图如图2所示，由图2可知：使用Cu2NiMn多主元填充材料实现了304不锈钢与纯铝的良好连接；焊后接头的宏观形貌图显示其接头处无明显裂纹，焊后接头横截面的宏观形貌图显示焊缝成型良好，未见气孔、夹杂、裂纹等缺陷。
本实施例制备得到的多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属的焊缝微观组织形貌图如图3所示，由图3可知：铝/钢异种金属的焊缝中形成了FCC与B2相交替排列的共晶高熵结构。
实施例2
Cu的粒径为150目，Cu的纯度为99.97％；Ni的粒径为100目，Ni的纯度为99.99％；Mn的粒径为300目，Mn的纯度为99.95％。
原料中含有原子百分比为50％的Cu、25％的Ni和25％的Mn，将原料在转速为250rpm的行星式球磨机中以3：1的球料比球磨2h(球磨时所用的磨球为粒径为1mm的玛瑙球)，然后将得到的混合料在80℃下干燥1.5h，得到混合粉末。
将厚度为2mm的6061铝合金板材的焊接侧开35°的坡口后，在温度为70℃、体积浓度为8％的氢氧化钠溶液中浸泡45s，然后用去离子水冲洗6061铝合金板材；之后将6061铝合金板材在温度为25℃、体积浓度为15％的硝酸溶液中浸泡2min后，对6061铝合金板材顺次进行去离子水冲洗和干燥处理(干燥处理的温度为85℃，干燥处理的时间为1.5h)，得到待焊铝板材。
将厚度为2mm的304不锈钢板材的焊接侧开50°的坡口后，在压强为0.8MPa的条件下喷砂处理12min(喷砂处理时，采用的喷丸为粒径为85目的白刚玉)，然后将不锈钢板材在功率为120W的条件下超声清洗15min，之后顺次对不锈钢板材进行酒精清洗(酒精的浓度为98％)和干燥处理(干燥处理的温度为85℃，干燥处理的时间为1.5h)，得到待焊不锈钢板材。
使用焊接夹具将待焊铝板材和待焊不锈钢板材固定，在功率为1050W、光斑直径为1.5mm的激光热源的作用下，混合粉末通过同轴送粉的方式将待焊铝板材和待焊不锈钢板材进行焊接(同轴送粉的速率为15g/min，焊接的速度为200mm/min，焊接在纯度为99.999％的高纯氩气气氛下进行)，得到多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属。
本实施例制备得到的多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属的焊后接头宏观图如图4所示，由图4可知：使用Cu-Ni-Mn多主元填充材料实现了304不锈钢与6061铝合金的良好连接；焊后接头的宏观形貌图显示其接头成型良好，未见明显裂纹。
本实施例制备得到的多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属的焊缝微观组织形貌图如图5所示，由图5可知：铝/钢异种金属的焊缝中形成了两相交替排列的共晶高熵结构。
实施例3
Cu的粒径为300目，Cu的纯度为99.99％；Ni的粒径为300目，Ni的纯度为99.95％；Mn的粒径为100目，Mn的纯度为99.98％。
原料中含有原子百分比为45％的Cu、15％的Ni和40％的Mn，将原料在转速为220rpm的行星式球磨机中以4：1的球料比球磨1.5h(球磨时所用的磨球为粒径为20mm的玛瑙球)，然后将得到的混合料在90℃下干燥2h，得到混合粉末。
将厚度为3mm的纯铝板材的焊接侧开45°的坡口后，在温度为80℃、体积浓度为10％的氢氧化钠溶液中浸泡60s，然后用去离子水冲洗纯铝板材；之后将纯铝板材在温度为30℃、体积浓度为18％的硝酸溶液中浸泡3min后，对纯铝板材顺次进行去离子水冲洗和干燥处理(干燥处理的温度为90℃，干燥处理的时间为2h)，得到待焊铝板材。
将厚度为3mm的304不锈钢板材的焊接侧开60°的坡口后，在压强为0.7MPa的条件下喷砂处理15min(喷砂处理时，采用的喷丸为粒径为100目的白刚玉)，然后将不锈钢板材在功率为130W的条件下超声清洗20min，之后顺次对不锈钢板材进行酒精清洗(酒精的浓度为94％)和干燥处理(干燥处理的温度为90℃，干燥处理的时间为2h)，得到待焊不锈钢板材。
使用焊接夹具将待焊铝板材和待焊不锈钢板材固定，在功率为1000W、光斑直径为1.8mm的激光热源的作用下，混合粉末通过同轴送粉的方式将待焊铝板材和待焊不锈钢板材进行焊接(同轴送粉的速率为10g/min，焊接的速度为360mm/min，焊接在纯度为99.994％的高纯氩气气氛下进行)，得到多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属。
实施例4
Cu的粒径为150目，Cu的纯度为99.99％；Ni的粒径为100目，Ni的纯度为99.99％；Mn的粒径为300目，Mn的纯度为99.95％。
原料中含有原子百分比为50％的Cu、30％的Ni和20％的Mn，将原料在转速为220rpm的行星式球磨机中以2：1的球料比球磨1.8h(球磨时所用的磨球为粒径为12mm的玛瑙球)，然后将得到的混合料在75℃下干燥1.6h，得到混合粉末。
将厚度为1.8mm的6061铝合金板材的焊接侧开35°的坡口后，在温度为65℃、体积浓度为6％的氢氧化钠溶液中浸泡55s，然后用去离子水冲洗6061铝合金板材；之后将6061铝合金板材在温度为20℃、体积浓度为15％的硝酸溶液中浸泡2.5min后，对6061铝合金板材顺次进行去离子水冲洗和干燥处理(干燥处理的温度为90℃，干燥处理的时间为1.4h)，得到待焊铝板材。
将厚度为1.8mm的304不锈钢板材的焊接侧开55°的坡口后，在压强为0.6MPa的条件下喷砂处理14min(喷砂处理时，采用的喷丸为粒径为90目的白刚玉)，然后将不锈钢板材在功率为125W的条件下超声清洗12min，之后顺次对不锈钢板材进行酒精清洗(酒精的浓度为96％)和干燥处理(干燥处理的温度为85℃，干燥处理的时间为1.5h)，得到待焊不锈钢板材。
使用焊接夹具将待焊铝板材和待焊不锈钢板材固定，在功率为1300W、光斑直径为2mm的激光热源的作用下，混合粉末通过同轴送粉的方式将待焊铝板材和待焊不锈钢板材进行焊接(同轴送粉的速率为12g/min，焊接的速度为120mm/min，焊接在纯度为99.99％的高纯氩气气氛下进行)，得到多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属。
本发明将Cu、Ni、Mn三种金属单质制备得到的混合粉末作为铝/钢异种金属熔焊原位形成多主元共晶高熵焊缝的填充材料，利用激光热源+同轴送粉技术，使母材中的Fe、Al元素与填充材料中的Cu、Ni、Mn在焊缝熔池原位发生共晶反应形成FCC固溶体相与B2相交替排列的共晶或近共晶高熵合金焊缝结构，并利用其优异的强韧性与液态成型性能，在提高铝/钢异种金属焊接接头强韧性的同时改善了焊缝的成型性能，实现了铝/钢异种金属的高质量焊接，减少了制备高熵合金焊接材料的前期工序，过程简便，降低了焊接成本；在焊接过程中形成的共晶或近共晶高熵合金结构的熔点较低，介于铝与钢之间，可减少铝/钢异种金属焊接接头的残余应力，且共晶或近共晶高熵合金结构的液态流动性较好，有利于焊缝成型。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种铝/钢异种金属熔焊原位形成多主元共晶高熵焊缝的填充材料，其特征在于，填充材料由如下原子百分比的原料制备得到：
Cu 20～50％、Ni 15～45％、Mn 20～40％。
2.根据权利要求1所述的填充材料，其特征在于，所述Cu、Ni和Mn的粒径独立的为100～300目，Cu、Ni和Mn的纯度独立的为99.95～99.99％。
3.权利要求1或2所述的填充材料用于铝/钢异种金属熔焊原位形成多主元共晶高熵焊缝的焊接方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)将原料进行球磨，得到混合粉末；
2)将铝板材的焊接侧开坡口后顺次经过碱溶液浸泡和酸溶液浸泡，得到待焊铝板材；将不锈钢板材的焊接侧开坡口后进行喷砂处理，得到待焊不锈钢板材；
3)在激光热源的作用下，混合粉末通过同轴送粉的方式将待焊铝板材和待焊不锈钢板材进行焊接，得到多主元共晶高熵焊缝的铝/钢异种金属。
4.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，步骤1)所述球磨的转速为200～250rpm，球磨的时间为1～2h，球磨的球料比为2～4：1。
5.根据权利要求3或4所述的焊接方法，其特征在于，步骤2)所述铝板材为纯铝板材或铝合金板材；铝板材的厚度为1.5～3mm；所述坡口的度数为30～45°。
6.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，步骤2)所述碱溶液为氢氧化钠溶液；氢氧化钠溶液的体积浓度为5～10％；所述碱溶液浸泡的温度为60～80℃，碱溶液浸泡的时间为30～60s。
7.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，步骤2)所述酸溶液为硝酸溶液；硝酸溶液的体积浓度为12～18％；所述酸溶液浸泡的温度为20～30℃，酸溶液浸泡的时间为1～3min。
8.根据权利要求6或7所述的焊接方法，其特征在于，步骤2)所述不锈钢板材的厚度为1.5～3mm；所述坡口的度数为45～60°。
9.根据权利要求8所述的焊接方法，其特征在于，步骤2)所述喷砂处理的压强为0.6～0.8MPa，喷砂处理的时间为10～15min；喷砂处理时，采用的喷丸为白刚玉；白刚玉的粒径为70～100目。
10.根据权利要求9所述的焊接方法，其特征在于，步骤3)所述激光热源的光斑直径为1.5～2mm，激光热源的功率为1000～1300W；所述同轴送粉的速率为10～15g/min；所述焊接的速度为120～360mm/min，焊接在高纯氩气气氛下进行。
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