【摘 要】
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异种金属焊接可以充分利用两种材料优点,在诸多领域具有广泛的应用前景。但由于两种材料的物理和化学性能不同,异种金属焊接时极容易产生焊缝稀释、金属间化合物等问题,使接头安全可靠性能难以得到保障。高熵合金具有高混合熵效应、高晶格畸变效应以及性能鸡尾酒效应,使其具有高强高韧的特点,因此把高熵合金引入至异种金属焊接领域,用于提高异种金属焊接接头的力学性能,这对提高异种金属焊接接头的安全可靠性具有重要的研究意
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异种金属焊接可以充分利用两种材料优点,在诸多领域具有广泛的应用前景。但由于两种材料的物理和化学性能不同,异种金属焊接时极容易产生焊缝稀释、金属间化合物等问题,使接头安全可靠性能难以得到保障。高熵合金具有高混合熵效应、高晶格畸变效应以及性能鸡尾酒效应,使其具有高强高韧的特点,因此把高熵合金引入至异种金属焊接领域,用于提高异种金属焊接接头的力学性能,这对提高异种金属焊接接头的安全可靠性具有重要的研究意义。据此,本文主要通过多组元的高熵设计焊缝填充材料,通过激光同轴送粉的方法实现异种金属的焊接,以实现焊缝金属的高熵化,并探索高熵焊缝填料对异种金属焊接接头的微观组织、显微硬度、拉伸性能与接头断裂的影响规律。首先,采用FeCoCrNiMn、Cr Fe Ni2.4Al0.6和316L三种不同焊缝填充材料对SMA490BW钢与304不锈钢进行异种金属焊接,研究运用高熵焊缝填料实现焊缝高熵化的可行性,并探索通过改善高熵焊缝填料的成分配比、改进焊接工艺对焊缝高熵效应的可调控性。研究发现采用合适的高熵焊缝填料(如Cr Fe Ni2.4Al0.6粉末)能够使SMA490BW钢/304不锈钢异种金属获得高熵化焊接接头,但焊接时母材局部熔化与焊缝稀释,将显著改变初始设定的焊缝金属元素组成,使Fe Co Cr Ni Mn粉末没有获得焊缝高熵组织。但母材局部熔化与焊缝稀释对焊缝高熵组织的影响,可以通过改善填充粉末的元素成分配比以及对被焊板材开V型坡口等措施进行调控。且高熵填充粉末所得SMA490BW钢/304不锈钢异种金属焊接接头的显微硬度与焊缝强度都是明显高于SMA490BW耐候钢母材。其次,设计制备出5种(Cr Mn Fe)x(Co Ni)y焊缝填充粉末,通过改变焊缝填料中BCC与FCC组元的比值,探究焊缝填充粉末中BCC与FCC组元配比对焊接接头力学性能的影响规律。研究发现,焊缝填料中BCC与FCC组元的比值对焊接接头的力学性能有重要影响。当焊缝填料中BCC/FCC比值增加时(尤其是比值≥1),焊缝显微硬度显著增加。但BCC/FCC比值过大或过小都不能使接头获得最佳的综合力学性能,其中(Cr Mn Fe)5(Co Ni)5填充粉末所获得接头的综合力学性能最好。最后,设计制备出三种高熵化焊缝填料CuxCo Cr Mn Al0.8Si0.2,并应用于TC4钛合金/N4纯镍板异种金属焊接中,探索高熵焊缝填料对TC4/N4异种金属焊接的焊缝成型、接头组织与性能等影响规律。发现Cu2Co Cr Mn Al0.8Si0.2和Cu3Co Cr Mn Al0.8Si0.2高熵填充粉末都能实现TC4/N4异种金属连接。焊缝中心区域显微组织成雪花状,且形成了高熵组织。但靠近Ti板的焊缝区域(约43μm)存在一段明显的过渡区域,该区域内Ti元素含量大于50 at.%,没有形成高熵效应。焊缝填料中Cu元素含量对TC4钛合金/N4纯镍板异种金属焊缝的显微硬度与拉伸强度有重要影响,其中Cu2Co Cr Mn Al0.8Si0.2粉末所得接头的拉伸强度最佳。
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