热处理对Al0.5CoCrFeNi高熵合金钎焊接头组织及性能的影响

2022-06-06齐浩伟刘学文曹志明贾德浩

金属热处理 2022年5期

齐浩伟，刘学文，刘乐，曹志明，贾德浩，章强

(临沂大学材料科学与工程学院，山东临沂 276000)

多组元高熵合金是一种全新的合金成分设计理念，高熵合金成分中含有至少5种元素为主元，每种元素的含量在5%～35%之间[1]。高熵合金打破了传统合金的成分设计理念，即由一种或两种元素为主元，再添加其他微量元素改进结构和性能，因此高熵合金表现出了与传统合金不同的特性。通过不同的成分设计，使得高熵合金可以获得优异的性能，如高强度[2]、高硬度[3-6]、高韧性、优良的抗回火软化性[7-9]、耐腐蚀性[10-11]等，这些优良的性能使得高熵合金在工业上有着极好的应用前景。Al0.5CoCrFeNi高熵合金是综合性能较好的一种高熵合金[12]，实现其稳定的高质量连接具有重要的理论和工程意义。TiZrNiCu钎料具有较低的连接温度和较高的力学性能[13]，本文使用TiZrNiCu钎料对Al0.5CoCrFeNi高熵合金进行真空钎焊连接。因高熵合金具有迟滞扩散效应，其钎焊接头在高温下会发生一定的组织转变，故有必要对钎焊接头进行退火处理，因此本文分析了不同退火保温时间对Al0.5CoCrFeNi高熵合金钎焊接头微观组织和力学性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 材料制备

用金刚石切割机对Al0.5CoCrFeNi高熵合金铸锭(φ55 mm×100 mm圆柱)进行切割处理，切割成4 mm×4 mm ×4 mm和4 mm×6 mm×4 mm两种规格的待焊母材，随后用320、600、800、1000目的SiC砂纸进行打磨，除去焊接面的氧化物以及杂质和孔洞，随后用超声波清洗机对母材和钎料进行清洗，清洗完毕后，用粒度0.25 μm的金刚石抛光剂在金相抛光机上进行抛光处理，使焊接面平整光滑，之后再用502胶水将待焊母材与4片厚度为75 μm的钎料进行连接并吹干。

1.2 焊接工艺

将装配好的待焊母材垂直放入石墨模具中，再将模具放入真空热压炉的炉腔中，设置程序进行加热处理。钎焊过程中，1000 ℃以下加热速率为1.5 ℃/s，1000 ℃以上加热速率为0.33 ℃/s。加热完成之后随炉冷却至室温。将不同温度焊接的焊接接头使用万能试验机进行压缩剪切性能测试，经过对比后发现，焊接温度为1100 ℃的焊接接头剪切性能最为优良，因此选用1100 ℃焊接的焊接接头进行后续的热处理。

1.3 热处理工艺

将钎焊后的焊接接头放入石墨模具中，再置于真空热压炉的炉腔中，以1.5 ℃/s的升温速率升到800 ℃，保温一定时间(4、8和12 h)，然后以5 ℃/min的速率降至400 ℃，之后随炉冷却。

1.4 组织分析与性能测试

对钎焊后的试样进行镶嵌，之后使用由粗到细的砂纸进行打磨，对打磨后的样品进行抛光、清洗，制成待测试样，利用扫描电镜对焊缝微观组织与化学成分进行观察分析。

材料的剪切性能衡量了材料抵抗外界剪切能力的大小，是衡量材料力学性能好坏的重要因素。将焊接接头试样放入制好的卡槽模具中，使用万能试验机进行压缩剪切性能测试，调整试验机参数为预紧速率0.5 mm/min、试验速率0.2 mm/min，直到试样断裂结束试验，记录试验数据进行性能分析。

2 试验结果与分析

2.1 钎焊接头典型显微组织

本文采用TiZrNiCu钎料在1100 ℃下保温10 min钎焊Al0.5CoCrFeNi高熵合金，对钎焊后得到的接头分别进行不同保温时间的退火处理。图1为在800 ℃下保温8 h真空退火处理后钎焊接头的典型显微组织，其中图1(a)为整个接头组织，图1(b)为母材一侧界面放大图。由图1(a)可知，钎焊接头整体连接完整，母材与焊缝区清晰可辨。对高熵合金母材与焊缝的交界处进行放大，如图1(b)所示，可以将整个交界处分为三个部分，Ⅰ区为焊缝区，Ⅱ区为熔合区，Ⅲ区为热影响区。热影响区中可见大量弥散析出的小黑点相，熔合区主要为黑色相和灰色相组成，焊缝区相组成较为复杂，主要有黑色相、灰色相和浅白色相。

图1 800 ℃下保温8 h退火处理后Al0.5CoCrFeNi高熵合金钎焊接头的微观组织(a)整个接头;(b)母材一侧界面放大图Fig.1 Microstructure of the Al0.5CoCrFeNi high-entropy alloy brazed joint after annealing at 800 ℃ for 8 h(a) entire joint; (b) enlarged view of the interface on base metal side

为进一步分析焊缝区接头组织，对其进行放大，如图2所示，主要为黑色的A相、浅白色的B相和灰色的C相。此外黑色的A相细小弥散地分布在灰色的C相中。对3种相进行能谱分析，结果如表1所示。

图2 经800 ℃退火8 h后Al0.5CoCrFeNi高熵合金钎焊接头焊缝区元素面分布结果Fig.2 Surface scanning distribution results of weld zone in the Al0.5CoCrFeNi high-entropy alloy brazed joint after annealing at 800 ℃ for 8 h

由图2和表1可得，黑色相中Al、Ti、Ni、Co元素占大多数，含量分别为17.43%、22.10%、26.25%、19.38%，并存在少量Fe、Cr元素，推测黑色相为富含Ni、Ti、Co、Al的高熵合金相；Cr、Fe主要富集于灰色相中，在其他两相中含量较低，推测灰色相为BCC结构的CrFe基固溶体；Zr元素主要分布于浅白色相中，此外，该相还富含Ni、Co和Cu元素，推测其为另一种高熵合金相[8,11]。

表1 图2中相的能谱分析结果(原子分数，%)

比较 Al、Co、Cr、Fe、Ni、Ti各元素之间的化学混合焓[11]，由于Al-Ni、Al-Ti、Ti-Ni 之间的混合焓远低于Al、Ni、Ti与Cr、Fe之间的混合焓，而元素之间的混合焓负得越多，越容易结合团聚。因此，Ni、Al、Ti更易于团聚，而Al、Ni、Ti的团聚会排斥Cr、Fe，所以形成了Cr、Fe在另一区域的团聚。由此形成3种偏聚团，从而形成富Zr的结构、富(Al，Ni，Ti)的结构和富(Cr，Fe)的结构。

2.2 退火时间对钎焊接头显微组织的影响

已知铸态Al0.5CoCrFeNi合金是由简单的体心立方相和面心立方相组成，组织主要为树枝晶形貌[4]。图3为在800 ℃下经过不同保温时间的退火后钎焊接头的显微组织，由图3可以看出，焊缝中间层与Al0.5CoCrFeNi 高熵合金的界面结合完好，焊缝处无热裂纹。对比未经热处理的钎焊接头组织(见图3(a))与经过4～12 h退火处理的组织(见图3(b～d))，可以观察到随着退火的进行，钎焊接头焊缝组织中相的衬度增大，焊缝融合区增大。其原因可能为，在800 ℃下进行退火时，焊缝中的合金元素会向母材中进行扩散，改变界面熔合区的成分，使得熔合区向焊缝中间偏移，热影响区中的高熵合金母材也会逐步分解为黑色和灰色两相，并随着退火时间的延长，形成类似于熔合区的组织。

图3 经800 ℃退火不同时间后Al0.5CoCrFeNi高熵合金焊接接头的SEM照片(a)未退火;(b)4 h;(c)8 h;(d)12 hFig.3 SEM images of the Al0.5CoCrFeNi high-entropy alloy brazed joint after annealing at 800 ℃ for different time(a) unannealed; (b) 4 h; (c) 8 h; (d) 12 h

图4为不同退火时间下焊接接头母材侧界面放大图。未经退火处理前，焊缝处的相较为粗大且元素扩散不够充分。黑色相分布较集中，多以块状形式存在，很少发现其弥散分布于灰色相中。而随着退火保温时间的延长，可以发现在灰色相中黑色析出相逐渐增多，组织整体更均匀细小。对比不同退火时间下灰色相中Cr、Fe两元素含量，从未退火的47.88%，到退火4、8和12 h后的50.75%、54.48%和73.13%，可以发现在灰色相中逐步析出低Cr、Fe含量的黑色相后，其Cr、Fe含量逐步升高。其原因主要为Al、Ni、Ti等元素和Cr、Fe元素的相容性较差，在800 ℃保温时，两者会逐步的分离，最终形成稳定的两相组织，即富(Al，Ni，Ti)的FCC固溶体相和富(Cr，Fe)的BCC固溶体相。而在此过程中，焊接接头整体组织的细化，特别是细小黑色相的析出，对接头起到一定的强化作用。

图4 经800 ℃退火不同时间后Al0.5CoCrFeNi高熵合金焊接接头母材侧界面处放大图(a)未退火;(b)4 h;(c)8 h;(d)12 hFig.4 Enlarged view of base metal side interface of the Al0.5CoCrFeNi high-entropy alloy brazed joint after annealing at 800 ℃ for different time(a) unannealed; (b) 4 h; (c) 8 h; (d) 12 h

2.3 退火时间对钎焊接头力学性能的影响

通过万能试验机对800 ℃下退火保温4、8、12 h的焊接接头进行压缩剪切性能测试，得到的剪切强度如图5所示。从图5可以看出，钎焊接头的剪切强度随着退火保温时间的延长逐渐增大，由未经退火的554.8 MPa增加到退火12 h后的581.1 MPa。

图5 经800 ℃退火不同时间后Al0.5CoCrFeNi高熵合金焊接接头的剪切强度Fig.5 Shear strength of the Al0.5CoCrFeNi high-entropy alloy brazed joint after annealing at 800 ℃ for different time

结合前文的组织分析可以得知，随着退火保温时间的增加，钎焊接头焊缝区中逐步弥散析出细小的黑色相，焊缝组织趋于稳定，热影响区变窄。而组织的改善也相应地提高了钎焊接头的力学性能。