高熵合金“过渡层材料”抑制铝钢界面金属间化合物形成的机理研究

In order to achieve high quality solid-state high strength Al-Steel dissimilar metal joining, we proposed to apply a new class of alloy-high entropy alloy (HEA)- as "transition layer" to inhibit or eliminate the formation and growth of the hard-and-brittle intermetallic compounds (IMC) at Al-Steel metallurgical bonding interface during solid-state welding. In this proposal, we will conduct a series of studies on the HEA/Al and HEA/Fe solid-state metallurgical bonding interface, using 7085 Al alloy and DP1180 steel as representative materials. First, we will investigate the effects of Al and Fe diffusion on HEA microstructural stability to understand the physical mechanisms behind the IMC-inhibition through high entropy and slow diffusion effects. Based on these findings, we will then investigate the thermo-mechanical coupling and high temperature transient effects on interface reaction behavior. We will further elucidate the “HEA composition-thermomechancal/high temperature transient conditions-interface microstructures-interface strength” physical metallurgy relationship. The findings in the proposal can provide theoretical and experimental basis to using HEA as "transition layers" to eliminate the detrimental effects of IMC on Al-Steel solid-state joining and serve as reference for understanding the interface diffusion mechanism between HEA and other dissimilar metal systems.

为实现高强铝合金与高强钢的高质量固态焊接，本项目提出使用高熵合金（HEA）作为铝钢固态焊接“过渡层材料”的学术思路，解决铝钢焊接界面脆性金属间化合物（IMC）形成与生长的关键科学问题。本项目以HEA分别与7085-T6铝合金、DP1180钢通过固态扩散形成的界面（HEA/Al、HEA/Fe）为研究对象，首先研究铝、铁元素扩散影响HEA结构稳定性的规律，揭示高熵效应和迟滞扩散效应抑制IMC形成的物理本质；在此基础上，通过研究热力耦合和高温瞬时条件对界面组织特征和结合强度的影响，阐明“HEA成分-(热-力耦合/高温瞬时条件)-界面组织-界面强度”物理冶金关系。通过本项目的基础科学问题研究，在理论上可以筛选出有效的HEA“过渡层材料”并揭示其抑制铝钢界面IMC形成的机制，在实践上可以探明HEA/Al、HEA/Fe界面最佳结合所需的热-力耦合条件，为优化焊接参数提供依据，具有很高的生产应用价值。

近年来，为了减小能量损耗、降低环境压力，“运载工具轻量化”在多个制造业领域受到广泛重视。目前被认为最有潜力的、受关注度最大的轻量化途径是使用轻质材料-钢材复合结构。高强铝合金由于其在密度和性能上的综合优势，目前成为轻量化中的关键结构材料。轻量化铝-钢复合结构通常通过焊接技术来制备，制备过程中遇到的主要技术瓶颈为铝钢界面脆性相的形成。由于铝和铁元素之间较强的化学亲和力以及铁元素在铝中的极小固溶度，在焊接热循环过程中，两者在界面处发生冶金结合形成富铝的金属间化合物（IMC），严重降低焊接接头的强度和韧性。开发新型技术以抑制铝-钢异种金属焊接界面脆性IMC的形成成为实现“运载工具轻量化”的关键所在。本项目的核心思想是：利用高熵合金（HEA）高熵效应与迟滞扩散效应的协同作用，将 HEA 作为铝钢固态焊接“过渡层材料”，抑制焊接界面脆性 IMC的形成。项目针对 Al 和 Fe 元素分别在 HEA 中的静态扩散行为开展了系统探究，并研究了热力耦合条件影响界面结构和强度的物理机制。项目探明了铝和铁元素扩散对 HEA 无序固溶体结构稳定性和新相形成的影响规律；揭示了高熵效应与迟滞扩散效应抑制界面 IMC 的作用机制；结合第一性原理计算分析了HEA成分对界面组织的影响规律，筛选出能够有效抑制界面脆性IMC的“过渡层材料”（FeNiCo）；在项目执行过程中，共发表SCI论文11篇，申请国家发明专利3项，培养的一名博士研究生已进入答辩评审环节，已毕业硕士研究生3名，参加学术会议7次。通过项目的实施，实现了利用高熵合金过渡层提升铝钢异种焊接接头性能的总体目标，明确了性能提升的关键在于焊接接头中金属间化合物的有效韧化，并通过系统成分设计试验筛选出Ni、Co掺杂具有最优的韧化效果。