高熵合金在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

張秉剛, 于 濤, 王厚勤, 韓 柯,2

（1．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150001；2．江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)理念認(rèn)為合金主元數(shù)越多，則越易形成金屬間化合物等復(fù)雜相[1]，對(duì)合金性能影響較大。 高熵合金(high-entropy alloy, HEA)是Yeh 等[2]在研究非晶合金的基礎(chǔ)上，打破傳統(tǒng)的合金設(shè)計(jì)理念，提出了等摩爾多主元合金的概念，并于2004 年將其定義為高熵合金。這種合金理論的提出，為高性能合金設(shè)計(jì)提供了新思路，因此被視為材料領(lǐng)域最具有發(fā)展?jié)摿Φ娜笱芯繜狳c(diǎn)（高熵合金、大塊金屬玻璃與橡膠合金）之一[3]。而高熵合金也展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能[4]，如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性及優(yōu)良的耐高溫性能、高溫抗氧化性、耐蝕性等。

近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不用的焊接方法進(jìn)行了高熵合金同種材料、高熵合金與異種材料、高熵合金作為填充材料的焊接，并取得了頗有影響力的學(xué)術(shù)成果。本文主要對(duì)高熵合金焊接領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，針對(duì)高熵合金在焊接過(guò)程中存在的問(wèn)題如焊接缺陷、接頭性能等進(jìn)行總結(jié)，并提出未來(lái)高熵合金焊接領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

1 高熵合金定義及特性

高熵合金作為一種固溶體合金，無(wú)法區(qū)分溶質(zhì)和溶劑組元，一般由五種或五種以上金屬或非金屬元素以等摩爾比或近等摩爾比經(jīng)熔煉或其他方法制備而成。由于沒(méi)有一種元素的含量超過(guò)50%而作為主要元素，因而高熵合金特性由各主元集體決定[5]。高熵合金由于多主元混合而產(chǎn)生多種效應(yīng)[6]：

（1）高熵效應(yīng)。對(duì)于高熵合金，由于主元數(shù)較多，會(huì)使合金系統(tǒng)具有更高的混合熵，尤其在高溫下，混合熵一般占主導(dǎo)地位，系統(tǒng)的混合熵大于形成金屬間化合物的熵變，會(huì)抑制中間相化合物的形成，促使元素簡(jiǎn)單混合形成固溶體。

（2）晶格畸變效應(yīng)。高熵合金中由于元素種類較多，且原子尺寸大小不一，會(huì)造成嚴(yán)重晶格畸變，從而給高熵合金帶來(lái)優(yōu)于傳統(tǒng)合金的機(jī)械、物理和化學(xué)性能。

（3）遲滯擴(kuò)散效應(yīng)。高熵合金各種元素之間的原子尺寸相差較大，特別是當(dāng)合金的混合熵很高時(shí)，合金主元之間的協(xié)同擴(kuò)散就會(huì)變得困難。而且晶格的嚴(yán)重變形也會(huì)阻礙原子的運(yùn)動(dòng)，使擴(kuò)散在高熵合金中難以進(jìn)行。

（4）雞尾酒效應(yīng)。此效應(yīng)由Ranganathan 首次提出并應(yīng)用于金屬領(lǐng)域，指因組合協(xié)調(diào)而產(chǎn)生意想不到的效果。對(duì)高熵合金來(lái)說(shuō)，各組元均可影響合金的整體性能。可在制備高熵合金時(shí)，通過(guò)選取各種特定性能元素，來(lái)得到具有不同特性的高熵合金，這也是目前高熵合金的主要配制方法。

2 高熵合金焊接

目前高熵合金研究重點(diǎn)依然傾向于不同主元所獲得的組織及性能方面的研究，局限于實(shí)驗(yàn)室研究與開(kāi)發(fā)探索，因此在焊接方面的研究成果依然處于初期階段。對(duì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)站W(wǎng)eb of Science 中與“Welding of high-entropy alloys”相關(guān)的出版文章數(shù)和引用數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可以看出，從2016 到2021 年，出版數(shù)和引用數(shù)均大幅度上升，這說(shuō)明隨著高熵合金相關(guān)制備工藝的發(fā)展，高熵合金的焊接正在成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前研究的焊接工藝，主要分為三個(gè)：熔化焊接技術(shù)、擴(kuò)散焊接技術(shù)和固相焊接技術(shù)[7]。

由于高熵合金的多主元特點(diǎn)，導(dǎo)致其在制備過(guò)程中極易出現(xiàn)組織變化和成分偏析，大塊材料性能均勻性無(wú)法保證，因此到目前為止有關(guān)高熵合金之間的焊接研究文獻(xiàn)主要集中在三個(gè)方面：高熵合金同種材料焊接、高熵合金與異種材料之間的焊接以及高熵合金作為填充材料進(jìn)行異種材料之間的焊接。其中高熵合金同種/異種焊接接頭性能存在著一定程度的下降，并受到合金本身性能、接頭結(jié)構(gòu)和焊接工藝等因素的限制。高熵合金作為填充材料時(shí)，可以通過(guò)成分調(diào)控以及高熵合金具備的高熵效應(yīng)和遲滯擴(kuò)散效應(yīng)抑制母材的過(guò)度溶解，生成固溶體相而非金屬間化合物，進(jìn)而提升接頭性能。

2.1 高熵合金同種材料焊接

Palguna 等[8]研究了Al0.2CoCrFeNiMo0.5高熵合金的鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）接頭組織和性能。結(jié)果表明，熱影響區(qū)（HAZ）和焊縫區(qū)（FZ）展現(xiàn)了和母材（BM）相同的組織特征。形態(tài)特征由BM 中FCC+σ 相粒子變成了HAZ 中破碎的共晶組織以及FZ 中枝晶FCC 相和枝晶間σ 相，造成了GTAW 接頭屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變的輕微下降。同時(shí)，接頭伸長(zhǎng)率的下降與FZ 中連續(xù)的枝晶間脆性σ 相造成的裂紋萌生和擴(kuò)展相關(guān)。

Wu 等[9]對(duì)由電弧熔煉生產(chǎn)的CrMnFeCoNi合金（單相面心立方結(jié)構(gòu)材料）進(jìn)行了電子束焊接（EBW）研究，發(fā)現(xiàn)接頭成形良好、無(wú)裂紋等缺陷產(chǎn)生，且在室溫下接頭保持了母材的強(qiáng)度與塑性。此外作者還發(fā)現(xiàn)CrMnFeCoNi 合金EBW 接頭在低溫下?lián)碛懈觾?yōu)異的強(qiáng)度和塑性，認(rèn)為這是由于低溫下材料內(nèi)產(chǎn)生了較多孿晶界而形成孿晶強(qiáng)化的結(jié)果。通過(guò)對(duì)比兩種不同熱循環(huán)狀況下的CrMnFeCoNi合金接頭，即高能量密度-低熱輸入的EBW 和低能量密度-高熱輸入的GTAW，發(fā)現(xiàn)GTAW 接頭抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均降低，分別為母材的80%和50%[10]。

Kashaev 等[11]采用激光束焊接（LBW)獲得了CoCrFeNiMn 型高熵合金對(duì)接接頭。在焊縫區(qū)域形成了M7C3型碳化物沉淀相，使合金硬度從150HV0.5提升至205HV0.5。焊接接頭相對(duì)于母材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度保持一致，伸長(zhǎng)率略有下降。同樣地，兩種材料的疲勞測(cè)試結(jié)果相當(dāng)，耐久極限為200 MPa，大致為CoCrFeNiMn 型高熵合金極限抗拉強(qiáng)度的55%～57%，焊接接頭未斷裂在焊縫區(qū)域。通過(guò)觀察疲勞試樣的微觀組織，發(fā)現(xiàn)當(dāng)測(cè)試壓力增加到350～365 MPa 時(shí)，二次滑移系統(tǒng)被激活，而只有單滑移在250 MPa 的最大應(yīng)力下運(yùn)行。通過(guò)高功率LBW 成功獲得了無(wú)缺陷的FeCoNiCrMn高熵合金接頭[12]。焊縫內(nèi)存在著細(xì)小的晶粒，并表現(xiàn)出高硬度和良好的抗循環(huán)變形能力。這是因?yàn)镸n-C 沉淀相在晶粒內(nèi)和晶界處富集，對(duì)位錯(cuò)和晶界起到了釘扎的作用。AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金（EHEA）LBW 接頭由于較高的冷卻速率及其引起的快速凝固效應(yīng)，使得焊縫區(qū)域主要由＜111＞反向的細(xì)小等軸晶粒組成。由于小角晶界（LABs）和高位錯(cuò)密度而導(dǎo)致焊態(tài)接頭強(qiáng)度略高于母材，為1201 MPa，且拉伸試樣斷裂在母材區(qū)域[13]。通過(guò)對(duì)共晶高熵合金AlCoCrFeNi2.1擴(kuò)散焊接頭的研究[14]，在溫度低于1000 ℃時(shí)，擴(kuò)散區(qū)域?qū)挾入S著溫度升高而增大；溫度高于1050 ℃時(shí)，在遲滯擴(kuò)散效應(yīng)的影響下寬度未發(fā)生變化。接頭最大剪切強(qiáng)度為1050 ℃條件下的648 MPa，這是因?yàn)樵?000 ℃以下溫度，接頭中存在大量空洞以及FCC相和B2 相之間的非協(xié)調(diào)形變，易發(fā)生脆性斷裂；隨著溫度升高，接頭中形成了連續(xù)的固溶體，增大了接頭強(qiáng)度。Li 等[15]采用Ni 基中間層獲得了良好的AlCoCrFeNi 高熵合金釬焊接頭。通過(guò)界面的成分設(shè)計(jì)，在1300 ℃/-15 min 條件下的接頭強(qiáng)度為（687.2±23.2） MPa 的近似均質(zhì)接頭，是異質(zhì)接頭的3 倍。接頭內(nèi)高熵固溶強(qiáng)化，析出強(qiáng)化以及晶粒細(xì)化效應(yīng)是性能的主要提升機(jī)制。與此同時(shí)，在800 ℃下退火240 h 后，接頭強(qiáng)度僅下降3%，說(shuō)明其在高溫下應(yīng)用的穩(wěn)定性。Zhu 等[16]對(duì)采用電弧熔煉制取的CoCrFeNiAl0.3高熵合金進(jìn)行了攪拌摩擦焊（FSW）焊接性的研究。接頭處可以觀察到四個(gè)典型區(qū)域：焊核區(qū)（SZ）、熱變形影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材（BM），且無(wú)缺陷產(chǎn)生。焊核（SZ）在再結(jié)晶的作用下呈現(xiàn)細(xì)小的等軸晶組織并具有最高的硬度值，晶粒尺寸隨著焊速的增加略有減小。TMAZ 由于局部再結(jié)晶，由粗大和細(xì)小晶粒混合而成。Lin 等[17]獲得的Al0.3CoCrCu0.3FeNi 高熵合金對(duì)接FSW 接頭的最高拉伸屈服強(qiáng)度為920 MPa，伸長(zhǎng)率為37%。通過(guò)對(duì)接頭SZ 組織進(jìn)行分析（圖2）發(fā)現(xiàn)，由于部分再結(jié)晶而形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)造成的協(xié)同強(qiáng)化、Hall-Petch 強(qiáng)化、ROM 導(dǎo)致的變形晶粒強(qiáng)化是性能提升主要原因，這在傳統(tǒng)合金的FSW 中是不常見(jiàn)的，這歸因于HEA 的低堆垛層錯(cuò)能和高晶粒生長(zhǎng)活化能。上述結(jié)果表明，F(xiàn)SW 可作為一種高熵合金的連接手段應(yīng)用在工程實(shí)際中。

2.2 高熵合金和異種材料之間的焊接

Sokkalingam 等[18]對(duì)Al0.1CoCrFeNi 高熵合金/AISI304 不銹鋼進(jìn)行異種材料電子束焊接研究，獲得了純凈無(wú)缺陷的接頭。在低熱輸入條件下，不銹鋼側(cè)的熱影響區(qū)寬度被限制在20 μm 左右。焊縫金屬遵循A 凝固模式，由于電子束焊接的快冷以及較低的Cr/Ni 比而獲得了過(guò)飽和的全奧氏體柱狀枝晶結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)出外延生長(zhǎng)特征。異種材料接頭的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為（310±10） MPa 和（560±15） MPa，高于Al0.1CoCrFeNi 合金母材。對(duì)這兩種材料進(jìn)行電弧焊接同樣獲得了很好的接頭結(jié)構(gòu)，在靠近Al0.1CoCrFeNi 合金側(cè)的焊縫中存在外延的等軸枝狀晶，而AISI304 側(cè)為粗大的柱狀晶粒[19]。接頭的強(qiáng)度高于高熵合金，可以滿足室溫條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。Oliveira 等[20]利用激光焊對(duì)軋制CoCrFeMnNi 高熵合金和316 不銹鋼進(jìn)行連接，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)由一種新的單相FCC 固溶體構(gòu)成，由兩種母材以及316 不銹鋼中的C 熔化后混合形成，并產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用。接頭強(qiáng)度約為450 MPa，斷裂在焊縫區(qū)，是因?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)形成了較大的等軸晶粒。在FeCoNiCrMn-TC4 激光焊接頭中添加Cu 中間層，可以使接頭強(qiáng)度提升140 MPa，這是因?yàn)樯傻母籆u 相可以破壞脆性金屬間化合物，增加了接頭塑性[21]。

Du 等[22]研究了不同溫度下難熔高熵合金Al5(TiZrHfNb)95和Ti2AlNb 擴(kuò)散焊接頭的組織（圖3）和性能。典型接頭組織為T(mén)i2AlNb/固溶體/Al3Zr5/固溶體/Al5(TiZrHfNb)95，Al3Zr5脆性相筆直地分布在界面處，其形成原因是在擴(kuò)散焊溫度下具有最低的Gibbs 自由能，會(huì)造成應(yīng)力集中并萌生裂紋，從而降低接頭強(qiáng)度。隨著釬焊溫度的增加，在1100 ℃時(shí)，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)427 MPa，因?yàn)锳l3Zr5脆性相含量的減少，由脆性斷裂轉(zhuǎn)換為韌性斷裂。在AlCoCrFeNi/BNi-2/FGH98 釬焊結(jié)構(gòu)中，在HEA 合金側(cè)生成富Ni 高熵混合相，在高溫合金側(cè)則形成富Cr 的硼化物Cr5B3。隨著釬焊溫度的提升，接頭強(qiáng)度先上升后下降。這是因?yàn)樵谳^低溫度下，釬縫內(nèi)存在空洞和硼化物，提高溫度后Ni(s,s)相增多，有利于接頭強(qiáng)度。當(dāng)溫度為1090 ℃和1110 ℃時(shí)，在HEA 側(cè)出現(xiàn)Cr5B3，弱化了接頭強(qiáng)度。在1070 ℃/-10 min 條件下，獲得最大剪切強(qiáng)度454 MPa，發(fā)生韌性斷裂[23]。

Nene 等[24]對(duì)亞穩(wěn)態(tài)相變Fe39Mn20Co20Cr15Si5Al1高熵合金（Al-HEA）和Al-7050 合金進(jìn)行了攪拌摩擦對(duì)接焊。在焊核中存在明顯的機(jī)械混合特征，剪切掉的HEA 顆粒分散在鋁合金中，金屬間化合物的產(chǎn)生受到抑制，獲得了近似清潔的界面。同時(shí)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為400 MPa，伸長(zhǎng)率約為10%，在腐蝕測(cè)試后的焊接界面處沒(méi)有明顯的點(diǎn)蝕痕跡，說(shuō)明與高熵合金的異種連接接頭是獲得高強(qiáng)鋁合金輕質(zhì)應(yīng)用的一種有效途徑。通過(guò)FSW 對(duì)CoCrFeMnNi 和STS304 鋼進(jìn)行連接，獲得了無(wú)缺陷的接頭[25]，同時(shí)因?yàn)樵拥倪t滯擴(kuò)散效應(yīng)阻止晶粒長(zhǎng)大使得HEA 側(cè)的TMAZ 區(qū)的晶粒更細(xì)小。FZ由單相FCC 固溶體相組成，具有較高的硬度。在TRIP 和TWIP 機(jī)制的作用下，接頭的低溫拉伸性能優(yōu)于室溫（圖4）。

2.3 作為填充材料進(jìn)行異種材料之間的焊接

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，單一金屬結(jié)構(gòu)通常很難滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，因此傳統(tǒng)異種金屬材料連接的復(fù)合結(jié)構(gòu)成為發(fā)展趨勢(shì)，但異種材料同時(shí)存在冶金不相容性，如接頭易形成脆性金屬間化合物、不同熔點(diǎn)相的偏析以及較大的殘余應(yīng)力等問(wèn)題[26]，從而導(dǎo)致接頭性能較差。

調(diào)控異種材料接頭冶金不相容性的傳統(tǒng)方法主要是通過(guò)施加擴(kuò)散阻擋層對(duì)金屬間化合物進(jìn)行控制。高熵合金由于其獨(dú)特的高熵效應(yīng)，高溫下的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)以及多組元條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在被應(yīng)用為異種焊接接頭填充材料時(shí)，傾向于抑制金屬間化合物相而形成簡(jiǎn)單FCC 或BCC 相[6]，進(jìn)而抑制母材的過(guò)度溶解，來(lái)提高接頭性能[7]。Liu 等[27]提出采用高熵合金作為中間層焊接Al/Mg 合金有助于在焊縫中抑制金屬間化合物的產(chǎn)生，形成簡(jiǎn)單固溶體。因此利用高熵合金作為填充材料進(jìn)行異種材料之間的焊接有較廣泛的應(yīng)用前景。

2.3.1 熔化焊研究

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)高熵合金作為中間層進(jìn)行的熔化焊研究報(bào)道主要集中在異種材料的電阻點(diǎn)焊、激光沉積焊以及激光焊。

Hamed 等[28]采用電阻點(diǎn)焊6061-T6 鋁合金和St-12 低碳鋼異種材料的過(guò)程中添加了不同厚度的Al0.5FeCoCrNi 高熵合金中間層。相對(duì)于無(wú)中間層條件下Al 側(cè)界面存在的情況，添加中間層的接頭內(nèi)無(wú)裂紋的產(chǎn)生，這是因?yàn)樵贏l 側(cè)產(chǎn)生了復(fù)雜的IMCs 層，但是有增加了熱撕裂現(xiàn)象的趨勢(shì)，這與IMCs 向Al 中的溶解而影響其凝固行為相關(guān)，并隨著中間層厚度的增加，溶解率增加，在接頭處產(chǎn)生共晶組織。

Liu 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在AA6061 和304SS 異種材料的激光沉積焊過(guò)程中添加高熵合金填充層能夠抑制脆性IMC Fe-Al 的形成，同時(shí)在焊縫區(qū)無(wú)偏析，生成了細(xì)小的等軸晶。通過(guò)在304SS 和SMA490BW鋼的異種焊接中添加CrMnFeCoNi 和CrFeNi2.4Al0.6高熵合金填充層，發(fā)現(xiàn)母材的稀釋率會(huì)影響焊縫區(qū)的高熵成分，所有接頭均展現(xiàn)出較好的拉伸強(qiáng)度和優(yōu)于SMA490BW 鋼的耐腐蝕性[30]。在304SS 和Q235 鋼的激光沉積焊接過(guò)程中，研究了添加不同比例的BCC 形成元素（Fe，Cr 和Mn）和FCC 形成元素（Co 和Ni）的影響，組織和性能對(duì)比見(jiàn)圖5[31]。發(fā)現(xiàn)隨著（CrMnFe）含量的增加，焊縫區(qū)形成等軸胞狀晶，晶粒尺寸增大，同時(shí)形成了更多的BCC相，增大了焊縫區(qū)硬度。其中接頭填充(CrMnFe)5(CoNi)5粉末成分時(shí)，具有最合適的BCC 和FCC 相比例，接頭呈現(xiàn)最優(yōu)的性能，說(shuō)明可通過(guò)調(diào)控中間層組分來(lái)對(duì)接頭性能進(jìn)行控制。

Gu 等[32]為了避免TC4 鈦合金和6082 鋁合金激光焊接頭中生成Ti-Al 金屬間化合物，使用了CoNiCuNb0.5V1.5高熵合金填充層。在高熵合金的高混合熵和遲滯擴(kuò)散效應(yīng)的作用下，抑制了IMC相的產(chǎn)生，最大抗拉強(qiáng)度為190 MPa。

值得注意的是，采用熔化焊對(duì)異種材料連接時(shí)，由于涉及兩側(cè)合金的熔化，因此選用高熵合金作為填充材料時(shí)必須考慮兩側(cè)合金熔化對(duì)焊縫高熵化的影響，為減小這種影響，需從焊縫形貌和填充材料兩方面進(jìn)行考慮。

2.3.2 釬焊研究

賈晨[33]采用Cu20A120Sn20Ag20Bi20 高熵合金釬料對(duì)鋁/銅進(jìn)行了高頻感應(yīng)釬焊工藝研究，結(jié)果表明，釬縫處存在立方結(jié)構(gòu)黑色相和四方晶系結(jié)構(gòu)灰色相，但非CuAl2金屬間化合物相，這說(shuō)明采用高熵合金釬料能抑制金屬間化合物的產(chǎn)生。對(duì)接頭進(jìn)行力學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，采用15 A 電流時(shí)獲得的接頭強(qiáng)度最優(yōu)（38.84 MPa），但與現(xiàn)有Zn-Al 釬料釬焊接頭強(qiáng)度(128.5 MPa)相比，性能較低[34]，這是由于釬料中加入低熔點(diǎn)的Sn 元素和Bi 元素以降低釬料熔點(diǎn)，這兩種元素的存在影響了釬料的力學(xué)性能，因此后期需對(duì)高熵合金釬料進(jìn)行優(yōu)化。

Ding 等[35]采用CoCrFeMnNi 高熵合金中間層對(duì)Cu 和Ti 進(jìn)行了真空固相擴(kuò)散焊。在不同溫度下，HEA/Ti 側(cè)均連接良好，無(wú)明顯缺陷，由于遲滯擴(kuò)散效應(yīng)形成了固溶體相和兩種IMC 相（Mn2Ti和Cr2Ti）。在800～850 ℃的Cu/HEA 側(cè)發(fā)現(xiàn)了Kirkendall 孔洞，在反應(yīng)層內(nèi)形成了單一FCC 固溶體相。這與不同溫度下元素的擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)。反應(yīng)層的厚度可以通過(guò)擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間來(lái)進(jìn)行控制。

此外，高熵合金填充層也被應(yīng)用到陶瓷材料的焊接研究中。Zhang 等[36]采用Ti/FeCoNiCrCu 復(fù)合填充層對(duì)ZSC 陶瓷/GH99 合金進(jìn)行了釬焊研究。發(fā)現(xiàn)由于高熵合金的混合熵效應(yīng)，焊縫中優(yōu)先形成FCC 固溶體。當(dāng)釬焊溫度達(dá)到1180 °C，保溫時(shí)間為60 min 時(shí)，接頭獲得最高剪切強(qiáng)度（71 MPa），這是由于該工藝參數(shù)下焊縫中形成了較多FCC 固溶體，對(duì)接頭起到強(qiáng)化作用。

Wang 等[37]采用CoFeCrNiCu 高熵合金釬料對(duì)SiC 陶瓷進(jìn)行釬焊連接。發(fā)現(xiàn)釬焊接頭的組織性能與釬焊溫度的關(guān)系較小，當(dāng)使用高熵合金釬料時(shí)，接頭在1453 K 下的最高剪切強(qiáng)度可達(dá)60 MPa，遠(yuǎn)高于使用AgCuTi 釬料的SiC 釬焊接頭。這是因?yàn)樵诮宇^基體中形成大量的FCC 固溶體，能夠緩解其殘余應(yīng)力，同時(shí)高硬度Cr23C6相的產(chǎn)生可以阻礙裂紋的擴(kuò)展，這均有利于強(qiáng)度的提高。Wang等[38]又在ZrB2-20%（體積分?jǐn)?shù)）SiC 與純Nb 的異種釬焊過(guò)程中利用了CoFeCrNiCu 高熵合金釬料。由于高熵混合效應(yīng)，使Cr 元素的活性在釬焊過(guò)程中被保持，產(chǎn)生的鋸齒狀Cr2B 相增加了釬焊界面強(qiáng)度。Nb 母材與高熵釬料反應(yīng)生成較軟的FCC 固溶體和較硬的Laves 相可顯著增大接頭力學(xué)性能。

高熵合金作為一種新的金屬材料，在焊接領(lǐng)域具有很好的研究及應(yīng)用前景。通過(guò)總結(jié)分析焊接參數(shù)，高熵成分和焊接初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)對(duì)同種/異種高熵合金接頭以及高熵合金作為填充材料進(jìn)行異種材料焊接接頭微觀組織及性能的影響，得到了如下結(jié)論：

（1） 高熵合金熔化焊接在加熱和冷卻過(guò)程中形成了異質(zhì)結(jié)構(gòu)接頭，強(qiáng)度損失相對(duì)較為嚴(yán)重；固相連接由于較低的熱輸入，接頭強(qiáng)度優(yōu)于熔化焊，但強(qiáng)度高或者塑性低的高熵合金不適用于固相焊，同時(shí)受到接頭結(jié)構(gòu)的限制；擴(kuò)散焊接頭性能由界面擴(kuò)散及反應(yīng)決定，同時(shí)受到填充材料成分和焊接參數(shù)的影響。對(duì)不同條件和工藝下高熵合金焊接的性能總結(jié)見(jiàn)表1[8-9,13,15,17-18,20,23-24,31-32,36,38]。

表1 高熵合金焊接的接頭力學(xué)性能[8-9,13,15,17-18,20,23-24,31-32,36,38]Table 1 Mechanical properties of welding joints of HEA[8-9,13,15,17-18,20,23-24,31-32,36,38]

（2） 高熵合金作為填充材料表現(xiàn)出巨大發(fā)展?jié)摿ΑEA 可以將接頭金屬轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的固溶體相，并抑制母材的過(guò)度溶解，防止金屬間化合物的產(chǎn)生。

（3） 與傳統(tǒng)組元合金相比，高熵合金相關(guān)焊接接頭的主要強(qiáng)化形式為固溶強(qiáng)化，即在高熵效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)和遲滯擴(kuò)散效應(yīng)下，形成了以固溶體相為主的組織，從而提高接頭的力學(xué)性能；同時(shí)可以利用雞尾酒效應(yīng)進(jìn)行組織和性能上的調(diào)控。

（4） 高熵合金焊接接頭除了在室溫和高溫條件下具有良好的力學(xué)性能，也在低溫下也呈現(xiàn)了優(yōu)異的性能。

3 高熵合金涂層的焊接制備

高熵合金由于其混合熵高于合金整體熔化熵，一般會(huì)形成簡(jiǎn)單固溶體相，具備顯微組織簡(jiǎn)單化、不傾向于生成金屬間化合物、納米級(jí)析出物或非晶結(jié)構(gòu)等特征，具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐蝕、高耐磨、高熱阻、耐高溫等特性[39-40]。正是由于高熵合金具備傳統(tǒng)合金所無(wú)法比擬的上述優(yōu)異性能，故利用傳統(tǒng)焊接熱源制備高熵合金涂層具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

目前，高熵合金涂層制備方法主要有磁控濺射技術(shù)[41-42]、熱噴涂技術(shù)[43-44]、氬弧熔覆技術(shù)、高能束熔覆技術(shù)等。磁控濺射技術(shù)所制備的高熵合金涂層較薄，無(wú)法滿足高強(qiáng)度的應(yīng)用場(chǎng)合，且對(duì)基材有一定要求；熱噴涂技術(shù)制備的高熵合金涂層與基材的結(jié)合性較差；氬弧熔覆技術(shù)與高能束熔覆由于熔覆質(zhì)量較高，與基材可形成良好冶金結(jié)合且尺寸不受限等特點(diǎn)而成為制備高性能高熵合金涂層的新興方法[45]。

3.1 氬弧熔覆

氬弧熔覆技術(shù)與鎢極氬弧焊原理相同，采用鎢極電弧在氬氣保護(hù)下進(jìn)行工作。由于鎢極的載流能力有限,電弧功率會(huì)受到限制，這一工藝特點(diǎn)恰好適用于材料的表面改性處理，制備耐磨、耐腐蝕或者耐高溫的涂層。氬弧熔覆獲得的涂層質(zhì)量較好，適合鋁、鈦、鎂等活性有色金屬以及不銹鋼等材料的表面改性[46]。

霍文燚等[47]探究了熔覆電流對(duì)AlCrFeCoNiCu高熵合金涂層顯微組織的影響。結(jié)果表明，不同熔覆電流制備的AlCrFeCoNiCu 高熵合金涂層均由枝晶組織、枝晶間組織、分布在枝晶間組織上的塊狀組織及少量細(xì)小析出物組成。隨著熔敷電流的增大，熱輸入增大，凝固速度降低，組織逐漸變得粗大，分解趨勢(shì)變大，而涂層中的細(xì)小析出物分布不均勻性也增大。在熔覆電流230 A 下制備的高熵合金涂層硬度最佳，這是由于熔覆電流較小時(shí)，涂層未充分熔化，表面硬度較低；而當(dāng)熔覆電流過(guò)大時(shí)，基體劇烈熔化，涂層過(guò)度稀釋，且涂層組織過(guò)渡粗化（熱輸入過(guò)大），嚴(yán)重影響了涂層的硬度。

Huo 等[48]采用鎢極氬弧技術(shù)(TIG)在304 不銹鋼表面制備的CoCrFeMnNbNi 高熵合金涂層由樹(shù)枝狀Laves 相和枝晶間FCC 相組成。由于Laves 相脆硬性較大，有效避免了涂層表面發(fā)生嚴(yán)重塑性變形和剝離損傷行為，而FCC 固溶體由于塑性較好，可保護(hù)表面免于發(fā)生脆性斷裂，因此該涂層展現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性。

Fan 等[49]研究了基體中Fe 向氬弧熔覆AlCoCr-FeNi 高熵合金涂層內(nèi)溶解量（稀釋率）增加對(duì)涂層組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)相結(jié)構(gòu)由單一的等軸BCC相轉(zhuǎn)變?yōu)橛馉頕CC+BCC 混合相，最后變?yōu)镕CC相枝晶和BCC 枝晶間混合結(jié)構(gòu)。這是由于隨著Fe 含量的增加，合金的VEC 變大，從而增大FCC相的穩(wěn)定性，也導(dǎo)致涂層的顯微硬度和耐腐蝕性下降。Fan 等[50]還研究了超聲作用對(duì)氬弧熔覆AlCoCuFeNi 高熵合金涂層的影響。結(jié)果表明，在功率超聲的施加作用下，涂層組織產(chǎn)生細(xì)化，偏析現(xiàn)象消失，進(jìn)而改善了涂層的顯微硬度和耐腐蝕性。這與在超聲對(duì)熔覆熔池產(chǎn)生的空化作用下，提高其流動(dòng)速率和增加冷卻速率相關(guān)。

3.2 高能束熔覆

高能束熔覆是采用高能束（離子束及激光束）作為移動(dòng)熱源在金屬材料表面快速熔覆一層耐磨、耐蝕、耐熱合金層的表面改性技術(shù)，由于熔覆層與基體成冶金結(jié)合，連接強(qiáng)度高，涂層組織均勻細(xì)小，具有良好的綜合性能，已經(jīng)成為表面改性研究的熱點(diǎn)。

等離子熔覆工藝簡(jiǎn)單、污染少、效率高，但尺寸精度及成形件質(zhì)量較低。Cheng 等[51]研究了Nb元素的添加對(duì)CoCrCuFeNi 高熵合金涂層組織和性能的影響。結(jié)果表明，添加Nb 元素后，涂層組織由FCC 固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)?CoCr)Nb 類Laves 相與FCC固溶體相（圖6）。此外，CoNiCuFeCrNb 涂層的硬度及耐磨性顯著提高，且耐腐蝕性也優(yōu)于CoCrCuFeNi 涂層及304 不銹鋼。Lu 等[52]在Q235鋼表面制備了CrCuFexNiTi 高熵合金涂層，發(fā)現(xiàn)涂層的組織和性能從基體與涂層之間的界面向涂層頂部呈梯度變化，這時(shí)溫度分布、涂層成分分布均呈梯度規(guī)律，使從界面到頂部的混合熵值增加，而產(chǎn)生FCC 和BCC 相。這種梯度變化有利于應(yīng)力的緩解。Wang 等[53]研究了Q235 鋼上制備的CoCrFeMnNi 和(CoCrFeMnNi)85Ti15高熵合金涂層的高溫摩擦磨損行為，其中(CoCrFeMnNi)85Ti15涂層的顯微硬度約為CoCrFeMnNi 涂層的6 倍。添加Ti 的涂層在400 ℃時(shí)展現(xiàn)出最佳的耐磨性，磨損率僅為4.08×10-6mm3·N-1·m-1，磨損機(jī)制為氧化磨損和接觸疲勞。Peng 等[54]研究了添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)WC 對(duì)等離子熔覆FeCoCrNi 高熵合金涂層組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著WC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，涂層組織變得復(fù)雜。當(dāng)WC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于60%時(shí)，涂層由WC 和FCC 相作為高熵基體，分布著Fe3W3C 碳化物和富Cr 第二相兩種析出相，其中Fe3W3C 碳化物能夠促進(jìn)涂層的顯微硬度和耐磨性的提升。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，涂層具有最佳的耐磨性，最小磨損率為3.27×10-7mm3·N-1·m-1和最大硬度值59.6HRC。

激光熔覆技術(shù)具有高能量密度、快熱快冷、對(duì)基材的熱影響較小、熔覆層粉末選擇范圍廣及稀釋率可控等特點(diǎn)，同時(shí)熔覆層組織具有均勻致密、微觀缺陷較少，與基材可形成良好冶金結(jié)合且尺寸不受限等優(yōu)勢(shì)，因此，有關(guān)激光熔覆高熵合金涂層的研究較多，主要集中于涂層的硬度與耐磨性、耐蝕性、耐高溫性及一些物理性能方面。

文獻(xiàn)[55-66]報(bào)道了近幾年采用激光熔覆制備的高熵合金涂層硬度及耐磨性方面的研究，如表2[55-66]所示。通過(guò)改變高熵合金成分配比[55-60]、添加微量合金化元素[61-63]或?qū)辖疬M(jìn)行適當(dāng)熱處理[64-66]是提高激光熔覆高熵合金涂層硬度和耐磨性的主要途徑。激光熔覆涂層之所以具有高硬度和高耐磨性，是由于以下幾個(gè)因素：（1）高熵合金中各主元原子半徑存在差異或某一主元的原子半徑和其他主元原子半徑差異較大，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用；（2）高熵合金改變成分配比后導(dǎo)致BCC 固溶體相的增加，組織發(fā)生較大變化；（3）激光表面處理時(shí)快速熔化和凝固，導(dǎo)致了涂層內(nèi)晶粒比較細(xì)小。

表2 激光熔敷制備的具有高硬度和高耐磨性高熵合金涂層研究報(bào)道[55-66]Table 2 Literatures of HEA coating prepared by laser cladding with high microhardness and wear resistance[55-66]

當(dāng)高熵合金含有Co, Ni, Cr, Al 等元素時(shí)，在HNO3、 H2SO4、 NaOH 和NaCl 等溶液介質(zhì)中表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性能。文獻(xiàn)[67-70]經(jīng)過(guò)研究，認(rèn)為改變高熵合金成分有助于改善涂層的耐腐蝕性。文獻(xiàn)[71-72]指出，激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)涂層的耐腐蝕性會(huì)產(chǎn)生一定影響。文獻(xiàn)[73-74]研究顯示，激光熔覆后表面超聲處理和3D 打印激光熔覆會(huì)獲得具有優(yōu)異耐腐蝕性能的高熵涂層。

高熵合金高溫下進(jìn)行處理時(shí)，由于固溶體相的穩(wěn)定存在[75-76]，表現(xiàn)出較為優(yōu)異的高溫性質(zhì)。當(dāng)向涂層中添加Al[57、77]、Cr[78-80]、Si[80]等合金元素時(shí)也能顯著提高其高溫抗氧化性。此外，文獻(xiàn)[81]采用激光熔敷制備的高熵合金涂層展現(xiàn)出了優(yōu)異的磁性能和電阻性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，高熵合金研究依然處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。很多成果尚未得到實(shí)際應(yīng)用，這主要受其形成機(jī)理及其合金成分復(fù)雜性的影響，這也間接影響了高熵合金在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著對(duì)高熵合金相關(guān)機(jī)理的揭示及其制備工藝的不斷成熟，高熵合金在焊接領(lǐng)域的研究將會(huì)逐漸深入。根據(jù)上述已有研究成果，本文作者對(duì)高熵合金在焊接領(lǐng)域相關(guān)問(wèn)題及研究趨勢(shì)概述如下：

（1）高熵合金在與同種或異種材料進(jìn)行焊接時(shí)，接頭中產(chǎn)生的焊接缺陷，尤其是裂紋缺陷的形成機(jī)理依然有待進(jìn)一步研究。另一方面，焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭組織的轉(zhuǎn)變過(guò)程及性能產(chǎn)生的影響和接頭變形機(jī)理等尚不清楚。

（2）利用高熵合金作為填充材料進(jìn)行異種材料焊接時(shí)，需要提出有效的高熵合金中間層成分的選取原則。此外，焊接異種材料時(shí)，應(yīng)充分考慮兩側(cè)合金的熔化對(duì)填充層成分的稀釋，導(dǎo)致的焊縫內(nèi)組織不均勻，同時(shí)接頭母材與焊縫界面處成分偏離高熵成分，易于形成脆性化合物，相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

（3）在高熵合金涂層方面，由于涂層和基材之間存在溫度梯度和物性參數(shù)差異，氬弧和高能束的局部加熱過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致高熵合金涂層出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷。同時(shí)高熵合金元素組成及配比、熔覆工藝參數(shù)、后續(xù)熱處理工藝對(duì)高熵合金涂層的組織和性能具有顯著影響，揭示這些關(guān)鍵因素的影響規(guī)律及其微觀機(jī)制是今后該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。