激光焊接增材制造高熵合金中力学 - 腐蚀性能的协同机制

《Intermetallics》：The synergistic mechanism of mechanical-corrosion properties in laser-welded additive manufacturing high entropy alloy

　　

摘要

本研究通过微观结构表征、EDS 分析和性能测试，研究了增材制造 CoCrFeNiMn 高熵合金（HEA）激光焊接接头中力学性能和耐蚀性的演化。实验结果表明，从焊缝区（WZ）到基体（BM），晶粒尺寸呈现梯度分布，特征为先细化后粗化。这种梯度源于霍尔 - 佩奇细晶强化与位错密度演化之间的协同作用，共同控制接头处的力学性能变化。电化学测试表明，填丝焊接接头具有最低的腐蚀电流密度。EDS 分析和焊接稀释率计算进一步揭示，填丝引入的耐蚀元素显著提高了焊缝的点蚀当量。图像处理结合统计分析证实，激光填丝焊缝区表现出相对较低的腐蚀倾向，而基体显示出最高的腐蚀敏感性。后续的激光重熔被证明能协同提高基体的力学性能和耐蚀性。建立了非平衡形核模型来描述微观结构演化，并阐明了不同焊接条件下 HEA 的腐蚀机理。

引言

高熵合金（HEA）凭借其独特的多主元设计和优异的固有性能（如高强度和耐蚀性），已成为先进金属材料领域的主要研究前沿 [1], [2], [3]。然而，传统的制造方法如铸造往往受限于复杂的工艺和较差的成形可控性，限制了其理论性能的全发挥 [4]。相比之下，基于激光的增材制造技术具有显著优势。特别是，选区激光熔化（SLM）作为一种近净成形技术，允许直接且灵活地制造具有复杂几何形状的部件，从而显著提高了设计自由度和制造效率 [5]。更重要的是，先前的研究表明，SLM 固有的超高冷却速率和逐层制造特性能够精确控制合金成分，并促进形成精细、均匀的微观结构 [6], [7]。因此，采用增材制造技术生产 HEA 不仅简化了制造过程，还提供了实现优异综合性能的有效途径。

通过 SLM 制造 HEA 取得了显著进展。例如，Ma 等人 [8] 将 CoCrFeNiMn HEA 引入 AlCoCrFeNi HEA 中，以提高其成形性和力学性能。结果表明，适当的添加比例可以提高可制造性并减少裂纹形成。Wang 等人 [9] 通过调整激光光斑直径优化了 AlCoCrFeNi_2.1 HEA 的加工性和微观结构形态，发现在 85 μm 的光斑直径下实现了最佳的致密化和抗拉强度（1564 MPa）。为进一步增强材料性能，Li 等人 [10] 在 L₂₁-BCC 析出相中实施了位错调制，成功实现了 SLM 处理 HEA 强度和延性的同步提升。为了增强 SLM 制造的 CoCrFeNi HEA 的力学性能，也探索了热处理方法。研究表明，热处理导致晶粒显著长大和微观结构更加均匀，从而相应地改善了合金性能 [11]。然而，在实际工程应用中，复杂的金属结构往往不能通过单次增材制造工艺整体制造。因此，焊接成为连接增材制造部件以组装更大和更复杂结构的不可或缺的技术 [12]。尽管如此，增材制造 HEA 部件本身的可靠连接尚未得到足够的关注或系统研究。此外，增材制造 HEA 独特的非平衡微观结构在焊接热循环下的演化机制，以及其对焊接接头性能的影响，仍未得到充分阐明。因此，研究增材制造 HEA 的可焊性并解决其焊接接头中潜在的性能问题，对于推进这些材料的实际应用至关重要。

大量的先前研究表明，焊缝区（WZ）通常是焊接接头中性能最弱的区域 [13], [14], [15]。激光对接焊接产生的焊接接头通常表现出不足的耐蚀性和力学性能，难以满足工程应用的要求。例如，Sun 等人 [16] 发现 L415 管线钢的 WZ 含有大量马氏体，诱发了电偶腐蚀，从而导致耐蚀性差。同样，Cao 等人 [17] 报告称，在 Q235 碳钢和 304 不锈钢的激光弧焊混合焊接中，铁素体的存在对焊缝的延性和耐蚀性产生不利影响。为了解决对接焊中这种性能退化问题，探索更优的焊接方法是必不可少的。激光填丝焊接以高能量密度、高精度、低热输入、变形可控和合金成分可调为特征，特别适合连接高性能合金 [18], [19], [20], [21]。在此背景下，2209 双相不锈钢焊丝因其显著优势引起了相当大的研究关注，使其成为此类应用的有前景的候选材料。例如，Sakata 等人 [22] 发现 2209 焊丝中相对较高的 Ni 含量可以促进 Ni-Mn 溶质团簇的形成，从而增强时效硬化行为。此外，2205 双相不锈钢焊丝有助于提供高强度和足够韧性与延性的平衡 [23]。因此，为了解决焊接接头性能较差的挑战，本研究在激光填丝焊接中利用 2209 双相不锈钢焊丝，旨在结合 CoCrFeNiMn HEA 基体的固有性能与填充金属的强度 - 韧性和耐蚀性特征，从而实现焊接接头综合性能的协同改善。

本研究创新性地研究了增材制造 HEA 的激光焊接以及填丝焊接对焊接接头微观结构和性能的有益影响。为了解决增材制造 HEA 部件连接和修复过程中遇到的挑战，包括对焊缝微观结构演化理解不足、性能退化和腐蚀机理不清，本工作系统地比较了激光自熔焊接和激光填丝焊接。特别关注两种焊接方法下的焊缝微观结构、力学性能和电化学腐蚀行为。采用图像处理和分析统计法定量表征焊缝的腐蚀敏感性，并建立形核模型以阐明不同焊接方法在微观尺度上影响腐蚀和力学性能的机理。基于预实验，确定了包括激光功率、焊接速度和送丝速度在内的关键参数范围，以确保两种焊接工艺之间的可比性。本研究的发现可以为增材制造 HEA 的连接、修复和表面强化提供技术参考和理论支持。

章节片段

材料制备

纯度为 99.99% 的 Co、Cr、Fe、Ni 和 Mn 元素粉末被用作激光焊接的基体材料（BM）。增材制造工艺使用 SLM-160 系统（江苏永年科技有限公司，中国江苏）进行。如图 1 所示，相邻层之间的扫描角度设置为 67°。工艺在氩气氛围下进行，激光功率为 275 W，层厚为 40 μm，扫描速度为 950 mm/s。随后，制备好的

微观硬度

图 2 描绘了两种焊接方法生产的 HEA 焊接接头的微观硬度分布。根据微观硬度特征，接头被划分为不同的区域。LFWW 焊接接头分为三个区域，即激光填丝焊缝区、激光填丝热影响区和基体。相比之下，LBW 焊接接头被分为三个对应区域：激光对接焊缝区、激光对接热影响区和基体。如图所示，两种接头热影响区的微观硬度是

焊接接头的微观结构演化

不锈钢填丝的添加改变了凝固过程中熔池的化学成分，导致两种焊缝的微观结构存在显著差异。如图 4 所示，两种焊接方法产生的焊缝区表现出显著区别。激光焊接焊缝区的晶粒尺寸明显大于激光填丝焊缝区。此外，在两种工艺之间观察到明显的晶粒形貌差异。这些

结论

本研究通过综合微观结构表征、力学性能测试和电化学测量，研究了增材制造 CoCrFeNiMn HEA 激光焊接接头中力学性能和耐蚀性的演化。主要结论如下：

• (1)
  微观结构分析表明，两种焊接接头中的晶粒尺寸均表现出从焊缝区到基体先减小后增加的分布特征。

CRediT 作者贡献声明

Chunyang Li：撰写 – 初稿，数据管理，构思。Xuesong Zhang：软件，资源。Yiyang Miao：正式分析，数据管理。Xinyi Huang：方法学，调查研究。Yu Zhang：可视化，验证，构思。Caimei Wang：调查研究，资金获取。Feng Han：撰写 – 初稿，监督，软件。

利益冲突声明

我们声明，我们没有可能被认为影响本论文报告工作的竞争财务利益和个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（编号52405338）和（52275300）以及中国五矿集团公司科技专项开放竞争项目（编号WKZB2512BJM500415/009）的支持。

Chunyang Li|Xuesong Zhang|Yiyang Miao|Xinyi Huang|Yu Zhang|Caimei Wang|Feng Han

北京石油化工学院机械工程学院，中国北京，102617