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科学家 高熵合金焊接方法和焊接机理的研究与综述（2）( 三 )

科学家 恒星 哈勃望远镜


HEAs中的相可以通过价电子浓度(VEC)和原子大小来估计 。 Guo等人发现合金的VEC可以通过公式（17）计算 ， 这可以确定主相(面心立方和/或体心立方）的形成 。 当VEC<6.87时 ， 体心立方相很容易形成 。 当VEC≥8时 ， 面心立方相很容易形成 。 此外 ， HEAs中原子的大小没有很大的差异 ， 其原子价和电负性相同 ， 因此这些原子更容易聚集形成固体溶液 。 因此 ， HEAs焊缝中相的产生也可以通过VEC和原子尺寸来估计 。 固体在烃体内溶液的形成和稳定性可以通过混合焓（公式(18)）来判断 。 当混合焓(ΔHmix)绝对值高 ， ΔHmix>值为0时 ， 合金相分离 。 当ΔHmix的绝对值较高 ， ΔHmix<值为0时 ， 将形成金属间相 。 另外 ， 如果ΔHmix<0 ， 合金中可以稳定产生一种或多个化合物 ， 随着ΔHmix绝对值的增加 ， 元素之间的结合力更强 。 不同元素之间的ΔHmix值由Takeuchi等人提供 。 因此 ， 可以用ΔHmix来估计HEAs焊缝中固体溶液的形成和稳定性 。 同样 ， 利用预测HEAs中相位的方法 ， 可以估计HEAs焊接中的相位 。 吉布斯自由能(ΔGmix)也可以用公式（19）来估计HEAs中相的稳定性 。 当相的ΔHmix较低 ， 相的ΔSmix较高时 ， 相的ΔGmix就会降低 ， 从而导致相更稳定 。 此外 ， TmΔSmix和ΔHmix的比值（Ω）可以用于预测HEAs中固体溶液的形成能力 ， Ω由公式（20-21）定义 。 尺寸更大的原子可以促进晶格畸变的形成 ， 并且可以增加合金的自由能 ， 从而降低固体溶液的稳定性 。 如果HEAs中存在大尺寸的原子 ， 原子的扩散速率就会降低 ， 并且在焊接过程中很容易产生纳米晶态或非晶态的微观结构 。 固体溶液和体积金属玻璃的形成可以通过原子尺寸差（δ）来区分 ， δ由公式（22-23）确定：
其中n为合金中元素数 ， R为气体常数 ， Ci为第i个元素的原子百分比 ， ΔSmix为混合熵 ， VECi为合金中各组分的价电子浓度 ， ci为合金中各组分的浓度 ， ΔHmix为混合焓 ， ΔGmix为吉布斯自由能 ， T为绝对温度 。 Guo等人发现 ， ΔSmix、ΔHmix和原子大小差异可以更好地显示HEAs中固溶液相的稳定性 。 如果-22≤ΔHmix≤7kJ/mol、11≤ΔSmix≤19.5J/(K?mol)和0≤δ≤80.5% ， 则可以在等原子多组分合金中生成固体溶液 。 此外 ， Zhang等人还减少了这三个主要因素的范围 。 如果-15≤ΔHmix≤5kJ/mol、12≤ΔSmix≤17.5J/(K?mol)和0≤δ≤6.5% ， 固液相很容易形成 。 当在HEAs中形成固体溶液时 ， Ω值在1.1-229.8范围内 ， δ值在0.8%-6.6%范围内 。 此外 ， 与固体溶液相比 ， 当δ值较大 ， Ω值较小时 ， 在HEAs中可以形成IMCs和非定形相 。 Zhang等人发现 ， 1.1≤Ω和δ≤6.6%应作为固液相形成的标准 。 因此 ， Ω和δ可以用来判断HEAs中固体溶液的形成 。 这可应用于HEAs焊接中相的预测 。 因此 ， 通过公式（16-23）可以判断HEAs焊缝中相的形成和稳定性 ， 这有助于预测焊接接头的性能 。 2.高温合金焊接接头的性能及优化2.1.焊接接头的缺陷及性能由于焊接参数不合适 ， 材料的物理化学特性不同 ， 可能会产生空隙、残余应力、焊接裂纹、不完全穿透、夹渣渣等焊接缺陷 ， 从而降低焊接缝的性能 。 焊缝中的空隙会对焊接接头的性能产生负面影响 。 在扩散焊接过程中 ， 材料直流电的差异可以促进Kirkendall空隙 。 在熔缝凝固过程中 ， 熔融池中的空隙聚集成气泡或气隙 。 随着温度的逐渐降低 ， 熔融池逐渐凝固 ， 一些空隙被困在熔融池中形成孔隙 。 此外 ， 当键合温度较低 ， BM的塑性变形有限时 ， 基质间的原子扩散不足 ， 在界面处形成孔隙 。 孔隙率是在深穿透脉冲激光焊缝上容易发生裂纹的常见地方 。 孔隙的形成受熔池、钥匙孔坍塌和固化过程的控制 。 随后 ， 孔隙可合并成可扩展的裂纹 ， 以削弱焊接接头的强度、疲劳寿命和延性 。 焊接加工过程中会产生转化应力、热应力、加工应力和残余应力 ， 不均匀加热会对焊接接头产生负面影响 ， 导致焊接接头形成脆性断裂 。 金属熔焊中经常出现裂纹 。 在对CoCrFeNi的LW研究中 ， 由于残余应力的集中 ， FZ出现了粗柱状晶粒和局部硬化 ， 会缩短焊件的使用寿命 。 在金属焊接过程中 ， 随着金属温度的降低 ， 熔融区金属的相互溶解度显著降低 ， 促进熔融池中成分的分离 ， 在焊接热应力下产生裂纹 。


▲图7上部图：焊接等原子比的CoCrFeMnNi HEA时的焊接接头： a自顶部观察得到的图像； b 自顶部进行X射线观察得到的焊缝气孔； c 光学金相结果：横截面显示焊缝的形貌；d 放大的区域显示在基材和焊缝金属处的熔化线 。  

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