多尺度梯度高熵合金化不锈钢焊接接头实现强度-韧性协同提升的创新策略

本文创新性地结合高熵合金（HEA）设计与增材制造（AM）原理，通过双道激光焊接技术成功制备出具有多尺度梯度结构（GSMs）的304L不锈钢焊接接头。研究通过调控Ti含量（AlCoCrNiCu0.5Tix）诱导FCC-BCC相变梯度，协同几何必需位错背应力硬化与应变硬化效应，最终实现屈服强度368.8 MPa、抗拉强度741.3 MPa及75%延伸率的卓越强韧化性能。

　　

Highlight

多尺度梯度高熵焊接接头展现出显著强韧化协同效应。与传统焊接接头S1相比，高熵梯度焊接接头S3的强度与硬度显著提升，这主要归因于梯度分布的晶粒结构与相区特征——焊缝中心为细小等轴BCC晶粒，两侧为柱状FCC晶粒。这种多级微观结构激活了多种强化机制，包括固溶强化、位错强化与异质结构诱导的背应力硬化（HDI硬化）。尤其值得注意的是，梯度结构通过协调变形有效抑制了应变局部化，从而显著提升了应变硬化能力。

Synergistic strengthening effect of multiscale gradient high-entropy welds

与传统焊接接头S1相比，高熵梯度焊接接头S3展现出显著增强的强度与硬度。这些提升主要归因于梯度分布的晶粒结构与相区特征：焊缝中心为细小等轴BCC晶粒，两侧为柱状FCC晶粒。这种多级结构激活了多种强化机制，包括固溶强化、位错强化以及异质变形诱导（HDI）应力的背应力硬化。梯度界面处产生的应变梯度促进了几何必需位错（GNDs）的积累，从而产生持续的硬化效应。此外，FCC相的延性与BCC相的高强度相结合，通过梯度结构实现协同变形，进一步优化了整体的力学性能。

Conclusion

本研究通过引入AlCoCrNiCu_0.5Ti_x（x=0.5, 1）高熵合金体系，成功开发出304L不锈钢的多尺度梯度结构高熵焊接接头。研究了Ti含量对焊接接头不同区域晶粒尺寸、相分布及其他变异的影响，分析了Ti对焊接接头力学性能（强度、延性、硬度）的作用，并探索了多尺度梯度高熵焊接接头的协同强韧化机制。结果表明，通过合理设计成分与微观结构梯度，可有效突破传统材料强度与韧性的 trade-off 瓶颈。