通过纳米孪晶结构实现CoCrFeMnNi和HSLA激光焊接接头的低温硬化与韧性提升

《Optics & Laser Technology》：Low temperature hardening and toughening of CoCrFeMnNi and HSLA laser-welded joint by nano twin

激光焊接异种材料CoCrFeMnNi高熵合金与HSLA钢的接头无缺陷，保留FCC结构，室温强度与基体相当，低温变形中纳米孪生和Hall-Petch效应协同提升强度至748 MPa，同时保持均匀塑性变形能力。

　　

吴俊峰|高玉魁

同济大学材料科学与工程学院，曹安宫路4800号，201804，上海，中国

摘要

低强度和高成本是阻碍现代工业中大型结构零件发展的主要因素。本研究探讨了CoCrFeMnNi高熵合金（HEA）与Hc340LA高强度低合金钢（HSLA）之间的不同激光焊接特性，重点分析了焊接接头（WJ）的微观结构、力学性能以及室温和低温下的变形机制。焊接接头无缺陷，熔合区（FZ）主要由单一的FCC结构组成，未含有金属间化合物（IMCs）。在室温下，焊接接头的抗拉强度与HSLA相当，且熔合区未发生断裂，这得益于{111} < 110>滑移系的激活。随着温度的降低，合金的热激活和堆垛错能（SFE）降低，导致变形过程中产生位错缠结（200 K）、位错壁和位错胞（123 K）以及纳米孪晶（77 K）。低温还提高了引发位错或孪晶的临界剪切应力（CRSS），从而提高了屈服强度。最终在77 K时实现了748 MPa的高屈服强度，同时保持了优异的加工硬化能力和均匀的伸长率。这些出色的综合力学性能归因于纳米孪晶形成所诱导的动态Hall-Petch效应。交叉孪晶的出现和通过弯曲实现的适应性变形也起到了重要作用。本研究为HEA与HSLA的不同焊接提供了见解，展示了这种焊接组合在需要高强度和耐低温应用中的潜力。

引言

金属材料的广泛应用极大地推动了人类社会的进步。随着工业发展的加速，传统金属材料已无法满足日益增长的生产需求。其中，低温结构零件的发展不容忽视。它们被广泛应用于核反应堆、液化天然气运输、极地破冰船等行业。2004年出现的HEA打破了传统合金的应用限制。由于其特殊的设计方法，HEA具有简单的固溶体结构[2]和优异的性能[3]，如高硬度、高强度[4]、出色的断裂韧性[5]、耐磨性[7]，以及在低温下的良好机械和电性能[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。在各种成分中，CoCrFeMnNi HEA因其低温韧性而受到了研究人员的广泛关注。然而，其高昂的成本仍是限制其更广泛应用的主要因素。HSLA是一种体心立方（BCC）钢，是一种成本极低的批量生产材料，由于其优异的焊接性能[13]，常通过激光焊接与高性能但高成本的板材结合，形成用于汽车生产的焊接板材。此外，HSLA在低温下的抗拉性能优于室温下的性能[14]，与HEA类似[15]。因此，通过在关键部件中使用CoCrFeMnNi HEA的优异性能，在非关键部件中使用HSLA，可以实现性能与成本之间的最佳平衡。

目前，关于HEA焊接性的研究仍在进行中，并在激光焊接、电子束焊接和钨惰性气体焊接工艺[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]方面取得了进展。主要研究方向集中在两个领域：相似材料的焊接和不同材料的焊接。对于CoCrFeMnNi HEA与HSLA的焊接，由于两种材料在化学成分、物理性能（如热膨胀系数和导热性）及力学性能上的显著差异，带来了诸多挑战。传统电弧焊接容易导致粗大脆性相[22]的形成（如IMCs）以及接头处的高残余应力，从而形成结构脆弱的接头。激光焊接技术凭借其高能量密度、低热输入、窄热影响区和快速冷却特性，为这类不同材料的可靠连接提供了极具前景的解决方案。Adomako等人[23]利用该技术实现了CoCrFeMnNi合金与双相不锈钢的不同焊接，抑制了脆性相和宏观偏析的形成。同样，使用激光焊接也在CoCrFeMnNi合金与316不锈钢之间实现了无缺陷的焊接接头[24]。然而，在这两种情况下都发生了晶粒粗化，导致焊接接头的力学性能下降。

在这方面，激光焊接后的晶粒生长现象是不可避免的。CoCrFeMnNi合金与钢进行激光焊接后，钢中的主要元素Fe会在焊接接头中均匀分布，焊接接头仍能保持FCC结构[25]。Angelita Otto等人[15]研究了细晶粒（晶粒尺寸4.4 μm）和粗晶粒（晶粒尺寸155 μm）合金在不同温度下的力学强度。结果显示，两种晶粒结构在77 K时都达到了最高的抗拉强度，性能差异较小。此外，在该温度下观察到了纳米孪晶现象。作为变形机制，孪晶在变形过程中引入了额外的界面，触发了动态Hall-Petch效应，增强了力学性能[26]、[27]。因此，研究视角不应仅关注焊接接头在室温下的力学性能低于基材这一事实。如果接头能够在低温性能上不那么受晶粒尺寸的影响，将扩大其应用前景。总之，在不同材料焊接领域，以下方面尚未得到系统研究：（1）高强度CoCrFeMnNi HEA与低成本HSLA之间的激光焊接可行性；（2）焊接接头中晶粒粗化对低温力学性能和变形机制的影响；（3）硬度梯度、织构演变与不同焊接接头中拉伸断裂位置之间的关系。本研究采用激光焊接工艺，研究了CoCrFeMnNi HEA与HSLA之间不同焊接接头的微观结构和力学性能，并进一步探讨了其在室温和低温下的微观变形机制。研究重点包括：（1）明确焊接接头的微观结构特征及晶粒粗化行为；（2）揭示粗晶粒焊接接头的低温变形机制（包括位错和孪晶）；（3）建立硬度分布、织构演变与拉伸断裂行为之间的关系。这些结果为将CoCrFeMnNi HEA与HSLA结合设计经济高效的低温结构零件提供了新的见解。

材料与方法

本研究使用了冷轧的等原子比CoCrFeMnNi HEA和HSLA（低合金钢Hc340La）板材作为基材。CoCrFeMnNi基材的厚度为1 mm，加工流程如图1(a)所示。HSLA也是由宝山钢铁有限公司生产的商用冷轧板材，厚度同样为1 mm。所有待焊接的表面均用2400目碳化硅砂纸打磨并用丙酮超声清洗。

室温下的相组成分析

通过XRD研究了HEA、HSLA和焊接接头的相组成，如图3所示。HEA呈现单一的FCC相（PDF#00–000-0258，空间群Fm m (225)），(111)衍射峰的半高宽（FWHM）为0.0044°；而HSLA基材由体心立方（BCC）α-Fe相组成（PDF#00–000-0259，空间群Im m (229)）。值得注意的是，焊接接头保留了与HEA相同的FCC结构，但(111)方向的衍射峰明显变尖锐。

结论

本研究成功通过激光焊接制备了CoCrFeMnNi HEA与HSLA之间的不同焊接接头，并深入分析了焊接过程中的微观结构演变与力学性能之间的关系。主要结论如下：

（1）获得了无缺陷的焊接接头，表明焊接过程中发生了良好的冶金结合。焊接接头中观察到了显著的晶粒粗化现象。在CoCrFeMnNi HEA一侧，焊接接头表现出外延柱状结构。

作者贡献声明

吴俊峰：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目管理、方法论、研究设计、资金获取、数据分析、概念构思。高玉魁：概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究由自筹资金支持。