关于真空电子束焊接的CoCrFeMnNi高熵合金（HEA）/SA203接头熔池动态、应力及温度场的全面模拟分析

《Vacuum》：Comprehensive simulation insights into molten pool dynamics, stress, and temperature fields of vacuum electron beam welded CoCrFeMnNi HEA/SA203 joints

高熵合金与SA203钢通过真空电子束焊接接头强度达基材87%，但熔合线存在明显起伏形貌。多物理场仿真表明该缺陷源于材料热物理性质不匹配，HEA的低热导率和熔态高粘度导致熔池内严重非对称温度场与流动场，引发分层涡旋与周期性质量交换的动态失稳，仿真结果与显微结构、形貌观测一致，揭示了焊接缺陷的形成机制。

　　

滕新燕|陈国清|甘展华|朱立国|赵俊宏|杨晨|冷学松

哈尔滨工业大学材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨，150001，中国

摘要

本研究采用真空电子束焊接（VEBW）技术将CoCrFeMnNi高熵合金（HEA）与SA203低温钢这两种不同材料进行连接，实现了接头强度达到基材的87%。然而，尽管具有较高的机械强度，但由于HEA侧熔合线处明显的形态波动，接头仍存在潜在风险。通过验证的多物理场仿真分析，我们发现这种缺陷并非由成分差异引起，而是由于两种材料之间固有的热物理性质不匹配所致。HEA的低导热性和高熔态粘度导致严重的非对称热流场，从而在熔池内部产生动态不稳定性。这种不稳定性的特征是分层涡旋的汇聚以及周期性的高速质量交换，这被认为是形成不规则熔合线的直接原因。仿真结果与实验观察到的微观结构和形态高度吻合，验证了所提出的机制。本研究为理解涉及HEA的不同金属焊接中熔池动力学与缺陷形成过程提供了基础，为减少此类缺陷并推动基于HEA的低温组件的可靠应用提供了理论依据。

引言

CoCrFeMnNi高熵合金（HEA）在常温和低温环境下均表现出优异的机械性能、抗氢脆性和断裂韧性[1,2]。然而，HEA的制备通常需要多轮电弧熔炼，这一过程不仅流程复杂、成本高昂，还限制了铸件的尺寸，从而影响了其实际应用[3,4]。相比之下，SA203低温钢已在低温管道和容器等领域得到广泛应用。因此，将CoCrFeMnNi HEA与SA203低温钢连接而成的组件具有双重优势：它们不仅提升了现有低温组件的运行稳定性，而且在经济性上也更具可行性。

本研究采用真空电子束焊接技术连接HEA和SA203基材，得到了质量良好的焊缝。然而，在HEA侧熔合线处观察到了明显的波动现象，以往的研究通常将其归因于基材或设备中的缺陷，如成分不均匀或焊接过程中的热输入不稳定。实际上，高熵合金中的晶格畸变效应会阻碍声子传输，导致极低的导热性[5]；同时，Ni和Mn等元素的加入会增加熔态粘度[6]。HEA与SA203之间的热物理参数差异不可避免地导致接头处温度场、流场和应力场的不均匀分布，从而形成了熔合线的波动。鉴于实时观察熔池流动特性、温度场和应力场的挑战，本研究通过仿真实验来探究这一现象的根本原因[7,8]。

在计算流体动力学（CFD）中，熔池内部的涡旋和流动特性通常与狭窄区域内的质量交换有关，因此建模时需要较高的网格精度[9,10]。为了平衡流场仿真的准确性和计算效率，建模和计算范围被限制在焊缝周围的小区域内[11]。相比之下，有限元分析（FEA）对网格精度的要求相对较低。本研究建立了完整的模型，用于模拟焊接过程中的温度场和应力场[12]。CFD和FEA的理论仿真结果与实际熔合线的形态和微观结构特征相符，证明了所提出机制的正确性。这项研究为理解不同金属焊接中熔池动力学及熔合线缺陷的形成机制提供了重要见解。

材料

材料

本研究使用的基材包括来自北京高科新材料科技有限公司的CoCrFeMnNi高熵合金，以及来自五羊钢铁有限公司的SA203低温钢。这些材料被加工成长度为40毫米、宽度为20毫米、厚度为2毫米的金属板。CoCrFeMnNi HEA经过五轮真空电弧熔炼并配合搅拌处理以实现成分均匀性，随后通过剧烈变形轧制工艺进一步加工。

有限元分析（FEA）

采用热弹性塑性有限元方法预测了对接焊缝的应变-应力场。计算过程中使用了Abaqus软件，该软件涵盖了准稳态热传导方程、弹塑性本构模型、热应力方程以及收缩和膨胀模型。模型采用C3D8单元，热弹性塑性响应通过Abaqus内置的默认本构方程自动求解。

微观结构与性能

经过工艺优化后，确定了最终的焊接参数（见表4）。图5展示了直接焊接过程中获得的焊缝宏观形态。实验表明，15 mA的焊接电流是最优选择，既能确保焊缝根部的完全穿透，又能实现图5(a)和(c)所示的单侧焊接效果。焊缝表面质量优异，具有细密的微观结构。

结论

本研究通过真空电子束焊接技术成功连接了CoCrFeMnNi高熵合金和SA203低温钢。通过多种仿真和计算技术，系统分析了熔池的流动特性，并阐明了熔合线处不规则缺陷的形成机制。主要研究结果如下：

1

接头成型良好，无缺陷，宏观和微观尺度上均表现出均匀的化学成分。

作者贡献声明

滕新燕：撰写初稿。陈国清：资金筹集。甘展华：实验研究。朱立国：实验研究。赵俊宏：方法学设计。杨晨：实验研究。冷学松：撰写与编辑。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写本文时，作者使用了deepseekV3工具来提升语言表达和可读性。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明以下可能的利益冲突：陈国清表示获得了国家自然科学基金的支持。如果还有其他作者，他们声明没有可能影响本文研究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：52375322）的财政支持。