第一作者：尹乾兴
通讯作者：陈国庆，冷雪松
通讯单位：哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室
DOI: 10.1016/j.jmst.2024.02.001
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本研究发现钼/铁基合金焊接接头的脆化及强度下降主要源于不稳定的相界面，而非焊缝中的脆性金属间化合物。通过在焊缝中添加 CoCrCuFeNi 高熵合金，相界面由非相干界面转变为相干界面，并通过σ纳米颗粒的析出降低界面能，显著提高界面稳定性。该方法将钼/Kovar 合金电子束焊接接头的抗拉强度从 262 MPa 提高至 366 MPa，为优化钼与铁基合金的焊接质量提供了新思路。
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研究背景
钼（Mo）及其合金因其在高温下优异的机械性能和良好的热导率，在燃气轮机等高温结构应用中备受关注。而主要由铁构成的 Kovar 合金因其极低的膨胀系数、高居里点、良好的塑性和耐磨性能，广泛应用于真空电子和航空航天领域。鉴于两者的优异性能和广泛的应用领域，实现 Mo 与 Kovar 的连接具有重要意义。
目前，Mo 的连接方法包括钎焊、扩散连接和熔焊等。例如，通过改变钎料成分和工艺参数，钎焊可显著影响接头的机械性能；扩散连接中添加中间层有助于优化接头性能。而由于 Mo 的熔点极高，高能束焊接在连接 Mo 时具有显著优势。然而，Mo 与铁基合金的焊接接头中，由于焊缝中形成大量脆性金属间化合物，接头的强度和韧性显著降低。例如，激光焊和电子束焊接中，Fe-Mo 化合物被认为是导致接头性能劣化的主要原因。尽管通过焊接参数的优化和束偏移技术可以抑制脆性相的生成，但接头的力学性能仍有待进一步提升。钼与可伐合金的高质量连接对于它们的应用至关重要。
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本文亮点
揭示了钼/可伐合金电子束焊接接头脆化的根本原因是界面不稳定，而非析出相本身。通过添加HEA，实现了从固态相变到液态相变的转变，优化了界面相干性，并在界面处实现了纳米粒子的沉淀，从而稳定了界面。
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图文解析
图1. HEA中间层微观结构：（a）宏观组织，（b）微观组织。（c）焊接示意图。
图2.（a）焊接接头XRD结果。拉伸断裂位置和接头微观结构：没有HEA（b，d）和添加HEA（c，e）。（f）Fe-Mo二元相图。
Mo/Kovar焊接接头的薄弱区位于Mo侧的熔合线处，此区域形成了多种沉淀相。沉淀相由α-Mo薄层和共析α-Fe+μ相组成。从SEM照片中可以明显看出，该区域未形成连续的脆性相，表明脆性析出相界面的相互作用较弱。沿焊接接头水平方向的微观结构剧烈变化导致的不稳定相界面是低应力断裂的根源。
图3.（a）没有HEA和（b）添加HEA的接头相界面取向关系示意图。
图4. α-Mo/μ相界面TEM结果：（a）明场图像，（b）高分辨率图像，（c）α-Mo和（d）μ相衍射斑点、（e）α-Mo和（f）μ相的晶格像，（g）界面共格度。
α-Mo/μ相界面为半共格界面，晶格错配度达到22.1%。这种界面具有高能量，其稳定性较差。在焊接接头的拉伸过程中，过高的界面能量为裂纹的萌生提供了能量，从而促进了焊接接头的拉伸破坏。
图5. α-Mo/共晶fcc界面的TEM结果：（a）明场图像，（b）高分辨率图像，（c）α-Mo和（d）fcc相衍射斑点，（e）α-Mo和（f）fcc的晶格像，（g）界面相干性。
加入HEA后，界面的共格性和稳定性得到了优化。与添加HEA中间层之前的相界面相比，界面处未发现位错堆积，表明界面的自由能和缺陷密度都降低，界面稳定性得到优化。垂直于α-Mo/fcc 界面为（110）α-Mo/（111）fcc晶格面，其中晶格间距分别为2.30Å和2.18Å，界面的晶格错配度下降到5.2%。同时界面的纳米相降低了界面自由能，并阻碍裂纹在界面处扩展，有利于α-Mo/fcc 相界面的稳定和强化。
图6. 未添加HEA接头（a，b）和添加HEA接头（d，e）的断裂位置。焊接接头的断裂形态：没有添加HEA（c）和添加HEA（f）。（g）焊接接头的应力-应变曲线。
未添加HEA的拉伸试样沿Mo侧的熔合线失效，这与添加HEA后在Mo侧热影响区内断裂的试样形成鲜明对比。未添加HEA的断口由河流状花纹和块状的α-Mo晶粒组成，与解理和晶间断裂的混合断裂模式一致。相比之下，在加入HEA后，观察到在断口表面存在颗粒剥落现象，对应Mo侧焊缝内部析出的纳米级σ相。
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总结与展望
研究表明，通过在电子束焊接接头中添加高熵合金中间层可以优化界面相干性，并通过纳米颗粒沉淀稳定相界面，显著提高焊接强度，显著改善了钼和Kovar合金的焊接质量。未来的研究可以专注于改进HEA的成分和焊接参数，以进一步增强接头性能。
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作者介绍
陈国庆
团队负责人
哈尔滨工业大学 教授
陈国庆，男，工学博士，哈尔滨工业大学材料学院，材料结构精密焊接与连接全国重点实验室，教授，博导。主要从事新材料及异种材料电子束焊接、电子束增材制造研究。担任中国机械工程学会、中国宇航协会、焊接青委会委员，国家自然基金、教育部学位论文、国家发改委评审专家。主持国家自然科学基金面上项目3项、中国博士后基金、部委重点基金等项目。完成了部委基础科研、973项目、国际合作项目、航天联合创新等项目。主编出版教材1部，已发表论文80余篇，授权国家发明专利20余项，软著2项，获得国家技术发明二等奖、部委科技进步一等奖、黑龙江省自然科学二等奖和黑龙江省科技发明二等奖，中国机械工程学会优秀论文奖2项。
尹乾兴
哈尔滨工业大学 博士
武汉大学 助理研究员
尹乾兴，男，工学博士，毕业于哈尔滨工业大学，现任武汉大学动力与机械学院助理研究员，主要从事高能束增材制造/焊接过程在线监测与质量调控方法研究。入选国家“博新计划”、武汉市“探索计划”、武汉大学首批“卓越博士后计划”，获聘毛明院士工作站特聘青年科学家，担任湖北省焊接学会学术委员会委员。以第一作者（含学生一作）、通讯作者在Journal of Magnesium and Alloys、Additive Manufacturing等权威期刊发表SCI检索论文20余篇，申请国家发明专利15项，副主编《电子束增材制造技术》专著1部。主持中国博士后科学基金、材料结构精密焊接与连接全国重点实验室面上项目、武汉市自然科学基金等项目5项。
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引用本文
Qianxing Yin, Guoqing Chen, Xinyan Teng, Yang Xiang, Xuesong Leng, Interfacial coherence regulation and stabilization of molybdenum/Kovar alloy welded joint by CoCrCuFeNi high entropy alloy, J. Mater. Sci. Technol. 194 (2024) 43-50.
来自“JMST”。