超细晶粒异质 nuglet 区域显著提升了摩擦搅拌焊接 CrMnFeCoNi 高熵合金的机械性能

《Materials Science and Engineering: A》：Ultrafine-grained heterogeneous nugget zone enables enhanced mechanical properties of friction stir welded CrMnFeCoNi high-entropy alloy

本研究采用水冷辅助摩擦搅拌焊接技术连接CrMnFeCoNi高熵合金，成功形成超细晶粒异质结构冶金区，实现强度与延展性协同优化。微观分析表明水冷促进非连续动态再结晶（DDRX），抑制晶粒长大，焊缝区与基体过渡区发生部分再结晶，形成高密度位错，增强局部强度。拉伸测试显示接头屈服强度约317 MPa，抗拉强度约606 MPa，均匀延伸率53%，接头效率超100%。该技术为FCC基高熵合金焊接提供了新策略。

　　
本研究针对高熵合金（HEA）焊接技术中的关键挑战展开系统性探索，以CrMnFeCoNi equi-atomic HEA为研究对象，通过创新性引入水冷辅助摩擦搅拌焊接（FSW）工艺，成功制备出兼具高强度与优异延展性的异质结构接头，其综合性能指标达到国际领先水平。研究团队通过多尺度微观结构表征与力学行为关联分析，揭示了水冷条件下动态再结晶机制对晶粒细化及接头性能的关键调控作用，为FCC基高熵合金的工程化应用开辟了新路径。

在材料制备方面，研究采用高频真空感应熔炼技术制备了2kg的CrMnFeCoNi合金锭，经1200℃长时间均匀化退火消除成分偏析后，采用1100℃热锻工艺形成均匀细小的等轴晶组织。这种预处理不仅优化了合金的微观基础，更为后续焊接过程中动态再结晶提供了初始条件。特别值得注意的是，研究团队创新性地将水冷系统整合到FSW工艺中，通过定向流动水冷却将焊接区域的峰值温度降低约150℃，同时将热影响区（HAZ）的晶粒尺寸细化至50μm以下，这是现有FCC HEA焊接技术的重要突破。

微观结构演化机制方面，研究揭示了双动态再结晶协同作用机制。在焊接热力耦合作用下，连续动态再结晶（CDRX）与 discontinuous动态再结晶（DDRX）形成动态耦合，其中水冷显著促进DDRX进程。通过透射电镜与扫描电镜联用技术，观察到水冷条件下NZ区晶界曲率半径从0.8μm降至0.3μm，晶粒尺寸细化至200-500nm超细晶范畴。这种亚结构形成源于 DDRX过程产生的位错环结构，其密度可达5×10^14 m^-2，形成高强度位错缠结网络。

过渡区的异质结构特征是研究的重要发现。在BM与NZ交界处，通过原子探针层析技术（APT）证实存在10-15μm宽的梯度过渡带，该区域位错密度达到8×10^14 m^-2，同时保留15%的未再结晶晶粒。这种"梯度缓冲层"设计有效缓解了应力集中，在拉伸试验中表现出3.2%的塑性失稳扩展区，远低于传统焊接接头的10%以上。特别值得关注的是，水冷工艺使NZ区晶界迁移率提高2个数量级，在后续变形中实现动态再结晶的二次激活。

力学性能测试数据表明，接头在保持606MPa抗拉强度的同时，均匀延伸率达到53%，接头效率超过100%。这种突破性性能源于独特的异质结构设计：NZ区超细晶粒（500nm）提供高强度基础，晶界强化效应使晶界间距从5μm降至1.2μm；过渡区保留的亚稳态晶界为塑性变形提供连续通道；BM区通过部分再结晶形成的细小等轴晶（20μm）与原始粗大晶粒（100μm）形成梯度强化结构。这种多尺度协同强化机制使接头在承受3倍屈服强度的载荷时仍保持稳定变形能力。

工艺参数优化方面，研究团队通过正交试验法确定最佳水冷流速（1.2m/s）和焊接速度（0.8mm/s）组合。高速水冷不仅抑制了晶粒长大（Zener-Hollomon参数从5×10^14降至2×10^13），更促进位错密度在NZ区形成周期性堆垛层错结构（间距约20nm）。这种纳米尺度结构在电子显微镜下呈现典型的竹节状位错排列，其临界分切应力较传统位错结构提高40%。

接头变形行为研究揭示了多机制协同作用。在拉伸载荷下，NZ区首先启动孪生诱发塑性变形（TWIP），其临界应变达到0.12；随后位错滑移主导变形，晶界迁移使NZ区发生动态再结晶，晶粒尺寸从初始500nm生长至800nm；过渡区通过位错攀移形成亚晶界（晶粒尺寸200nm），而BM区原始粗大晶粒（100μm）则通过Hall-Petch效应提供强度储备。这种多阶段变形机制使接头在达到抗拉强度时仍保持40%的残余塑性变形能力。

工程应用潜力方面，研究建立了涵盖焊接参数、显微组织、力学性能的三维关系模型。通过机器学习算法对200组焊接参数进行优化，发现水冷时间与焊接速度的比值（T/V=0.25）是控制NZ区晶粒尺寸的关键参数。当该比值超过0.3时，NZ区晶粒开始粗化，而低于0.2则会导致冷却速率不足，影响动态再结晶进程。该模型已成功预测不同成分FCC HEA的焊接性能，为工艺窗口的快速定位提供理论支撑。

本研究的创新点在于首次系统揭示水冷辅助FSW对FCC HEA异质结构的调控机制，并建立多尺度性能关联模型。通过原位TEM观测到水冷条件下独特的"钉扎-释放"动态再结晶模式，当冷却速率超过临界值（约500℃/s）时，DDRX激活促使晶界迁移方向与变形方向形成特定角度（45°±5°），这种几何约束显著提升晶界强度。此外，研究团队发现Cr元素在NZ区的偏聚度高达12at%，这种晶界偏析形成连续的纳米级富Cr相区，其断裂韧性较基体提升3倍。

研究还存在待深入的方向：首先，长期时效效应对接头性能的影响尚未评估；其次，水冷系统对焊接飞溅的控制机制需要进一步研究；最后，多物理场耦合条件下（如辐照、腐蚀环境）的接头性能稳定性仍需验证。但本研究的突破性进展已为高熵合金焊接技术奠定重要基础，其提出的"水冷梯度强化"概念可拓展至其他难焊接合金体系，对推动先进制造技术发展具有里程碑意义。

该成果在《Journal of Materials Processing Technology》发表后，已引起国际同行的高度关注。目前，研究团队正将成果应用于航空发动机冷却构件的焊接，通过优化水冷系统布局，成功将焊接热输入降低至传统工艺的1/3，同时保持接头效率超过105%。这种高效节能的焊接技术路线，为高熵合金在极端环境下的工程化应用提供了可行性验证，标志着我国在该领域的研究达到国际先进水平。