东北大学长篇综述：高熵合金搅拌摩擦焊接与加工中的微观组织与力学性能

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【研究背景】：

高熵合金（HEAs）作为多主元合金体系，近年来因其独特的成分设计、可调控的微观组织以及优异的综合性能而备受关注。该类合金基于高混合熵、晶格畸变、迟滞扩散和”鸡尾酒”四大核心效应，展现出高强度、高热稳定性、耐腐蚀和耐磨损等特性，在航空航天、能源、国防等领域具有广阔的应用前景。然而，工程构件通常需要焊接连接，而高熵合金复杂的物理化学特性使其焊接极具挑战性。传统熔焊技术易导致粗晶、强化相溶解、残余应力等问题；钎焊则成本高昂且钎料开发困难。搅拌摩擦焊接与加工（FSW/P）作为固相连接技术，通过摩擦热与塑性变形实现冶金结合，有效避免了熔焊缺陷，并通过动态再结晶细化晶粒，成为高熵合金连接与表面改性的理想选择。尽管近年相关研究快速增长，但现有综述多集中于焊接方法的宏观比较，缺乏对FSW/P过程中共性微观组织演变路径及其力学响应的系统性总结，制约了该技术的工程化应用。因此，迫切需要一篇涵盖典型高熵合金体系、工艺参数、组织演变规律与性能调控机制的综合性综述，为后续研究提供理论基础与实践指导。

【论文概况】：

系统总结了高熵合金搅拌摩擦焊接与加工（FSW/P）领域的研究现状、微观组织演变、力学性能优化及未来发展方向。论文首先综述了适用于FSW/P的高熵合金类型，主要包括单相（FCC结构）的CoCrFeNi、AlxCoCrFeNi（x≤0.3）和双相（FCC+BCC/B2或FCC+HCP）的AlxCoCrFeNi（x≥0.5）、Fe-Mn-Co-Cr系列合金，并详细讨论了WC-Co、W-Re等工具材料的磨损行为及其形成的富W带状组织（WBs）对焊缝组织的影响。其次，深入分析了焊接过程中的微观组织演变机理：在焊核区（SZ）通过不连续动态再结晶（DDRX）和连续动态再结晶（CDRX）实现晶粒细化；形成A*{111}<112>、B{112}<110>等剪切织构；位错密度受热输入与冷却速率调控；第二相发生破碎、溶解或析出转变。特别指出，工具磨损引入的碳化物颗粒可通过粒子刺激形核（PSN）机制进一步细化晶粒。在力学性能方面，单相合金主要通过细晶强化、位错与孪晶强化提升强度与塑性；双相合金则额外受益于相变诱导塑性（TRIP）和孪生诱导塑性（TWIP）效应的激活，实现强度-塑性的协同提升。此外，论文还探讨了高熵合金与不锈钢、铝合金等异种材料焊接的界面反应，以及搅拌摩擦梯度合金化（FSGA）等高通量制备技术在成分设计与组织调控中的应用。最后，展望了该领域在航空航天、核能、海洋工程等高端制造领域的应用潜力，并指出当前研究在工具寿命、保护气氛定量影响、焊后热处理、高温疲劳性能及功能特性评估等方面存在的挑战与未来研究方向。

【论文图片】：

高熵合金不同焊接技术的优缺点

FSW/P技术示意图：(a)搅拌摩擦焊接；(b)搅拌摩擦加工

采用不同焊接工具获得的CoCrFeNiCu高熵合金典型加工表面：(a)W-Re工具；(b)TiC增强镍基陶瓷工具

Co16Fe28Ni28Cr28高熵合金的搅拌摩擦焊接：(a)接头横截面宏观组织观察；(b)图5(a)中白带的放大图；(c)-(g)图5(b)的元素分布图

搅拌摩擦焊接CoCrFeNiMn接头的表征：(a,b)分别在800和1000 rpm下获得的焊缝形貌；(c)图6(a)中黄框区域的放大图；(d,e)图6(c)红框区域的图像质量图和相图；(f)800和1000 rpm下碳化物尺寸和数量的对比

不同转速下搅拌摩擦焊接CoCrFeNi接头的横截面：(a)200 rpm；(b)400 rpm；(c)500 rpm

搅拌摩擦加工CoCrFeMnNi高熵合金不同区域的电子背散射衍射(EBSD)图：(a,b)分别远离和靠近焊核区的热机械影响区(TMAZ)；(c)焊核区中心；(d)焊核区与热机械影响区界面；(e)焊缝底部位置；(f,g)图5(e)和5(d)中方框区域的高倍图像

搅拌摩擦加工CoCrFeMnNi的EBSD图：(a,c,e)热机械影响区不同位置的IPF图像；(b,d,f)分别对应图5(a)、5(c)和5(e)的图像质量图[69]

搅拌摩擦焊接CoCrFeMnNi高熵合金的微观组织表征：(a)不同焊接条件下轧制(R)和铸造(C)高熵合金焊缝的晶粒尺寸；(b)焊核区EBSD图；(c)-(e)焊核区白色颗粒的透射电镜(TEM)分析[67]

液氮冷却对CoCrFeNiMn高熵合金搅拌摩擦焊接的影响：(a)FSW示意图；(b,c)快速冷却和空冷条件下焊核区微观组织的透射电镜图像

均质化(AH)和搅拌摩擦加工Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金的拉伸性能和微观组织：(a)样品的应力-应变曲线；(b)-(d)拉伸变形前显示FCC γ和HCP ε相分数的EBSD图；(e)-(h)拉伸变形后显示FCC γ和HCP ε相分数的EBSD图及对应XRD图谱

中断疲劳试验的搅拌摩擦加工DP-5Si-HEA样品的微观组织表征：(a)扫描位置相对于实际疲劳样品的示意图；(b)疲劳样品裂纹尖端的相图；(c1)-(c4)裂纹周围高倍扫描的图像质量、IPF、相分数和核平均取向差(KAM)图

不同Cu含量CS-HEA的搅拌摩擦梯度合金化(FSGA)：(a)FSGA示意图；(b,c)通过FSGA诱导的高熵合金微观组织与性能

通过搅拌摩擦合金化制备异质结构AlxCoCrFeNi高熵合金：(a)在预钻孔中填充Al粉末的铸态高熵合金板上进行FSP的示意图；(b)加工样品的相图；(c)样品的应力-应变曲线

高熵合金的性能及其应用

【结论】：

(1) 作为关键的焊接与加工技术，FSW/P能够显著影响高熵合金的微观组织，包括细化晶粒、调控相比例与形貌，以及触发不同的再结晶和变形机制。工具材料、焊接气氛以及转速和焊速等参数的选择在很大程度上决定了焊接/加工质量及焊缝的最终微观组织特征。

(2) FSW/P的进一步进展将依赖于对控制加工-组织交互作用的核心因素开展持续研究。未来的研究应持续优化高熵合金的成分与微观组织以满足FSW/P的特定需求。特别是，持续深入地探索再结晶机制及其在焊缝晶粒形成过程中的精确调控，对于开发更有效的焊接/加工策略至关重要。整合先进表征技术、原位监测和多尺度建模将加速理解高熵合金FSW/P过程中工艺-组织关系的基本机制。

(3) FSW/P在改善高熵合金力学性能方面显示出巨大潜力，特别是在提高强度、硬度和塑性方面。对于单相高熵合金，性能提升主要源于DRX引起的显著晶粒细化以及位错和孪晶密度的增加，这些因素共同促进了大量的晶界强化和应变硬化效应。在双相高熵合金中，FSW/P不仅细化晶粒，还改变相比例和分布，通过触发TWIP和TRIP等变形机制来增强力学性能。这些综合增强效果展示了FSW/P为苛刻工程应用定制高熵合金的广阔前景。

(4) 尽管取得了令人鼓舞的进展，但现有关于搅拌摩擦焊接/加工高熵合金的研究通常仅报道室温和低温下的硬度和拉伸性能，还需要进一步研究来全面评估其力学行为。必须深入开展关于搅拌摩擦焊接/加工高熵合金的高温性能、疲劳行为和断裂韧性的研究，特别是对于异种材料组合，以扩展其在关键工程领域的适用性。此外，理解焊后冷却速率及其产生的残余应力的影响也至关重要，因为这些因素会显著影响焊接构件的长期性能。

(5) 开发具有更高耐用性和更低磨损的新型FSW/P工具材料是一项紧迫需求，特别是对于加工高强度和高温高熵合金。减少工具诱导缺陷和优化工艺经济性的策略将是实现工业化规模应用的关键。使用保护气氛是某些高熵合金FSW/P中减少焊缝氧化的标准做法。保护气氛的定量影响仍是重要的开放研究课题，需要进行系统性的研究。

(6) 获得金属理想微观组织和力学性能的最常见方法之一是焊后热处理(PWHT)。然而，目前尚未报道搅拌摩擦焊接/加工高熵合金的PWHT工作。为了实现适当的微观组织特征并改善焊接/加工高熵合金的力学性能，PWHT也必须进行定制。需要进一步探索合适的PWHT策略及其对性能的影响。

(7) 搅拌摩擦焊接/加工高熵合金一个有前景的未来研究方向是开发热力学和动力学模型以预测微观组织演变和力学性能。结合实验验证，这些模型可以为焊缝形成机制提供有价值的见解，并有助于优化焊接参数。这对于推进FSW/P的理论基础和扩展高熵合金在实际制造场景中的应用至关重要。尽管如此，该领域的研究目前仍十分有限。

(8) 高熵合金的未来还涉及弥合实验室规模合成与工业应用之间的差距。实现搅拌摩擦焊接/加工高熵合金的工业规模应用将取决于克服与可扩展性、工艺自动化和成本控制相关的挑战。近期研究已探索了有前景的策略，如异种金属FSW方法、低镍高熵合金的成分设计以及开发长寿命耐磨焊接工具，以降低原材料和连接成本。展望未来，大尺寸高熵合金构件的可扩展合成技术进展，以及高效自动化FSW/P技术的实施，将对于促进搅拌摩擦焊接/加工高熵合金在工业中的广泛且具有成本效益的应用至关重要。

(9) 除了力学性能外，未来研究还应系统评估搅拌摩擦焊接/加工高熵合金的功能性能，包括在相关服役条件下的耐腐蚀性、电磁性能、辐照耐受性和热稳定性。针对这些功能方面的靶向研究对于加速航空航天、核能和海洋工程等苛刻领域关键部件的认证，以及充分实现搅拌摩擦焊接/加工高熵合金的工业应用潜力至关重要。

【论文链接】：

https://doi.org/10.1016/j.dt.2025.08.002