CrCoNi中熵合金超声辅助激光焊工艺及接头服役性能研究

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中高熵合金作为一种全新的材料设计理念,由3种或3种以上主元以等原子比或近似等原子比的方式制备而成,表现出优异的力学性能,极大丰富了高性能合金材料的设计和应用选择,成为目前材料研究领域的热点。CrCoNi合金是目前研究最为成熟的中熵合金之一,其表现出优异的强韧性、耐辐照及耐腐蚀性,有望成为下一代新型结构材料。良好的焊接性以及焊接接头在不同环境(低温、交变载荷和腐蚀介质)下的力学性能研究是新一代合金材料实现工程化应用的基础。本文针对CrCoNi中熵合金激光焊工艺和接头在不同环境下的服役行为进行了研究,主要研究内容及结论如下:(1)采用实验结合分子动力学计算方法对铸态CrCoNi中熵合金激光焊接头力学性能、微观组织和物相结构进行分析,研究发现铸态CrCoNi中熵合金焊接性良好,接头未见裂纹等缺陷;焊缝区组织粗大,含有大量的树枝晶,晶臂间距约为9μm,远小于母材晶臂间距36μm;接头具有优异的塑性,300K和77K下的延伸率分别为107%和76.5%,抗拉强度分别为525MPa和828MPa;低温下强度明显提高的原因是拉伸过程中形变孪晶的大量出现,其与位错之间的相互作用对位错的移动产生阻碍,增强了塑性硬化能力。(2)搭建了超声波辅助激光焊接平台,同时对铸态CrCoNi中熵合金母材进行轧制和退火处理获得完全回复再结晶组织,在CrCoNi中熵合金焊接过程中引入20KHz超声波作用于熔池,对焊缝区微观组织进行调控,同时采用氮气作为焊接保护气,制备了293K和77K下抗拉强度分别达到686MPa和1017MPa的高强韧CrCoNi中熵合金接头,优于铸态中熵合金接头强度。通过分析超声波对熔池凝固行为的影响,发现随着超声波功率的增加,焊缝宽度变大,同时熔合区的树枝晶尺寸变小;N2作为焊接保护气时超声辅助可以有效的将N原子引入到熔合区与熔池发生作用生成化合物Cr2N,另一部分N原子以溶质的形式溶入基体中,增加了位错滑移阻力,导致接头强度升高。(3)通过对具有完全回复再结晶组织的CrCoNi中熵合金母材及其超声辅助激光焊接头进行高周疲劳试验,绘制S-N曲线,母材和接头在应力比R=0.1时疲劳极限分别为440MPa、405MPa,疲劳极限和抗拉强度比值K分别为0.5、0.59。通过与传统高性能结构材料疲劳特性进行对比,CrCoNi中熵合金母材及其超声辅助激光焊接头的疲劳性能优于大多数传统材料;母材在疲劳载荷作用下的变形机制主要是滑移和形变孪晶,均匀分布的形变孪晶可以对位错的移动产生“钉扎”,塑性应变在晶粒内分布更加均匀,延缓裂纹的萌生,对疲劳性能产生积极作用;焊接接头在疲劳载荷下的裂纹形核机理主要以位错滑移为主,疲劳载荷下位错移动更加容易,位错密度不断增加,在多晶界相交的位置聚集产生应力集中形成微孔,最后微孔洞尺寸变大汇集,形成疲劳裂纹。(4)通过采用电化学充氢的方式,在预充氢(充氢电流40m A/cm~2)和原位充氢(充氢电流1m A/cm~2)两种不同“氢环境”下对具有完全回复再结晶组织的CrCoNi中熵合金母材及接头进行慢拉伸实验,通过对拉伸断口形貌及断口附近的微观组织进行分析,研究不同氢环境下CrCoNi中熵合金及其接头的力学行为及变形机理。两种不同氢环境下CrCoNi中熵合金及其接头“氢脆”现象明显,预充氢条件下在拉伸速率为10-5s-1时母材和接头的塑性分别下降了75%和77.8%;氢作为间隙原子进入晶格中,增强了晶格畸变,使流变应力增加,提升了其应变硬化能力,母材屈服强度由527MPa提升至577MPa;母材及接头在氢环境中的断裂模式均是氢致晶间开裂,氢和位错的相互作用增强了位错迁移驱动能力,使位错活动能力提高,最终在晶界处聚集形成应力集中点,促进了氢脆的发生。
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