对采用高压扫描电子束焊接方法制备的100毫米厚5083铝合金对接接头中厚度依赖性不均匀性的研究

《Materials Today Communications》：Investigation of thickness-dependent inhomogeneities in 100 mm thick 5083 aluminum alloy butt joints produced by high-voltage scanning electron beam welding

本文研究了1180℃/0.05s?1和5s?1应变率下Fe36Ni36Al17Cr10Mo1高熵合金的微观结构演变与动态软化机制，发现B2相动态恢复能力更强，通过连续动态再结晶实现软化，微观结构演变对工业制备具有指导意义。

　　

邱云吉|史新波|刘晓明|王涵|何峰|李俊杰|王志军

摘要

共晶高熵合金（EHEAs）因其优异的流动性和综合机械性能而受到广泛关注。热处理不仅是一种调控金属材料微观结构和性能的核心工艺，也是实现大规模生产的关键步骤。在本研究中，通过1180 ℃/0.05?s^?1和1180 ℃/5?s^?1的热压缩试验，研究了Fe₃₆Ni₃₆Al₁₇Cr₁₀Mo₁ EHEA的微观结构演变和动态软化机制。均质化后，面心立方（FCC）相和B2相的初始微观结构中高角度晶界（HAGBs）的比例相对较低。在低应变率和高应变率下，FCC相表现出不连续的动态再结晶（DDRX）现象，且DDRX过程中的形核和生长过程存在明显差异。B2相则表现出更强的动态恢复能力，因此在两种应变率下均通过连续动态再结晶（CDRX）实现软化。各相中层状和不规则结构的位错分布表明，再结晶主要发生在不规则结构内部。本研究为工业制备EHEAs时选择合适的微观结构提供了重要指导。

引言

近年来，共晶高熵合金（EHEAs）受到了越来越多的关注[1], [2], [3], [4], [5]。一方面，EHEAs良好的铸造流动性可以减轻单相HEAs在凝固过程中的成分偏析；另一方面，结合软相和硬相的EHEAs能够在强度和塑性之间达到平衡[6], [7], [8], [9]。Lu等人首次报道了一种新型的AlCoCrFeNi_2.1 EHEA，通过共晶设计概念实现了约1200?MPa的抗拉强度和23?%的伸长率[10]。Wu等人结合机器学习和热力学计算分析了共晶合金的形成能力，并成功制备了具有优异高温性能的VNbTiTaSi体系EHEAs[11]。He等人利用CALPHAD方法预测了CoCrFeNiNb_x合金的微观结构，确定共晶点处的Nb含量约为10?at%[12]。为了进一步降低成本，开发了一种不含Co的AlCrFeNi体系EHEA[13], [14]。该体系合金通常具有面心立方（FCC）/B2双相基体，在许多情况下还观察到体心立方（BCC）和L1₂相[15], [16]。通过改变Ni与Al的原子比例可以调整AlCrFeNi体系EHEAs的相组成[17]。通过添加微合金元素可以改善EHEAs的综合机械性能[18], [19], [20], [21]。这种新型EHEA有望成为新一代高性能结构材料。

热加工是大规模工业生产的有效方法[22]。为了促进EHEAs作为结构材料的广泛应用，对其高温变形行为有深入的理解至关重要。Jiao等人研究了Al₂₀Co₃₆Cr₄Fe₄Ni₃₆ EHEA在1073–1273?K和10^?3-10^?1s^?1应变率下的热变形行为，发现L1₂相的动态再结晶（DRX）颗粒比B2相更多，证明了其更快的再结晶动力学[23]。Ahmed等人对AlCoCrFeNi_2.1合金进行了本构模型分析，发现在0.7的真应变下，该合金的应力指数和激活能分别为2.5和336.0?kJ/mol[24]。Haghdadi等人研究了Al_0.9CoCrFeNi EHEA在1030 ℃和0.1?s^?1条件下FCC相和BCC相的DRX机制[25]。他们发现FCC相通过不连续动态再结晶（DDRX）软化，而BCC相通过连续动态再结晶（CDRX）软化。DDRX的形核和生长主要通过应变诱导的晶界迁移实现，在此过程中观察到退火Σ3型晶界的形成[26]。CDRX被认为是动态恢复（DRV）的延续，不涉及明显的形核和生长过程[27]。Jeong等人通过热压缩试验为Al_0.7CoCrFeMnNi EHEAs建立了热加工图谱，为优化热加工参数提供了理论基础[28]。尽管先前的研究已经展示了共晶高熵合金的热变形行为，但AlCrFeNi体系EHEAs在高温变形下FCC相和B2相的微观结构演变仍不明确[29], [30]。

本研究系统地研究了Fe₃₆Ni₃₆Al₁₇Cr₁₀Mo₁合金在高温条件下的FCC相和B2相的微观结构演变。通过分析不同应变率下两相的微观结构，阐明了各相在高温变形下的动态软化机制。此外，还分析了各相中层状和不规则结构的位错分布，以及这些结构的DRX特性。这项研究进一步加深了对AlCrFeNi体系EHEAs在高温变形下微观结构演变的理解，为该合金系统的工业应用提供了关键指导。

章节摘录

材料制备和热变形测试

使用纯度超过99.9?%的Al、Cr、Fe、Ni和Mo颗粒作为原料，通过真空感应熔炼制备了半径为50?mm的Fe₃₆Ni₃₆Al₁₇Cr₁₀Mo₁共晶高熵合金锭。将凝固后的锭材置于马弗炉（Hefeikejing，合肥，中国，KSL-1400）中，在1180 ℃下保温24?h以最小化化学元素偏析。然后，在均质化锭材的R/2位置使用电放电切割方法切割出热压缩样品（尺寸为? 8?mm × 12?mm）

初始微观结构和流动应力行为

图1展示了均质化后的Fe₃₆Ni₃₆Al₁₇Cr₁₀Mo₁合金的微观结构。根据SEM结果（图1a），该合金呈现出明显的共晶微观结构（层状-不规则混合结构）。同时，根据EBSD图谱（图1b-c），该合金主要由FCC相和B2相组成，其体积分数分别为59.9?%和40.1?%[32]。

在1180 ℃/0.05?s^?1和1180 ℃/5?s^?1的热压缩试验中，Fe₃₆Ni₃₆Al₁₇Cr₁₀Mo₁ EHEA的流动应力曲线

结论

本研究在1180 ℃/0.05?s^?1和1180 ℃/5?s^?1条件下研究了Fe₃₆Ni₃₆Al₁₇Cr₁₀Mo₁ EHEA的FCC相和B2相的微观结构演变。本文的主要发现总结如下：

(1)

在两种不同的应变率下，通过微观结构表征研究了FCC相的DRX行为。在0.05?s^?1

CRediT作者贡献声明

李俊杰：指导。 何峰：项目管理、研究。 王涵：方法论。 刘晓明：验证。 史新波：资源获取、研究、正式分析。 邱云吉：写作——审稿与编辑、初稿撰写、数据管理、概念构思。 王志军：写作——审稿与编辑、资金争取、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研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52471047）的支持。