FeCoNiCrTi对铝/铜异种金属激光焊接界面处金属间化合物的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：The effect of FeCoNiCrTi on intermetallic compounds at the aluminum/copper dissimilar metal laser welded interface

本研究探究了FeCoNiCrTi高熵合金作为填充材料对铝铜异种材料激光焊接接头性能的影响。通过实验表征和DFT计算发现，添加FeCoNiCrTi后接头抗拉强度提升13.7%，断裂模式由脆性转变为塑性，且IMC层厚度由2.199 μm降至1.027 μm。同时，TiNi相的形成增强了接头的剪切模量和杨氏模量，抑制了Al-Cu扩散，降低了扩散系数78.2%。该研究为高熵合金在异种材料焊接中的应用提供了理论依据。

　　激光焊接技术在铝与铜的连接中扮演着至关重要的角色，尤其在电动汽车（EV）领域，其可靠性直接影响到车辆的整体性能与安全性。近年来，随着全球对减少碳排放的关注不断加深，电动汽车作为降低碳足迹的重要手段，得到了快速发展。然而，提升电动汽车的可靠性仍然是一个关键挑战，尤其是在电池连接技术方面。电池作为电动汽车的核心部件，其性能与连接质量密切相关，因此优化电池电极的铝/铜焊接技术成为提高电动汽车可靠性的关键策略之一。

当前市场上的电动汽车电池通常由大量锂离子电池单元组成，这些电池单元通过串联或并联的方式连接。因此，改进锂离子电池电极的铝/铜焊接技术不仅能够提升电池的性能，还能增强整个电动汽车系统的稳定性。然而，铝与铜在化学性质和物理特性上存在显著差异，这使得在焊接过程中容易形成金属间化合物（IMCs），从而对焊接接头的性能产生不利影响。IMCs通常具有较低的延展性和较高的脆性，这会导致接头在受到外力作用时容易发生断裂，降低其整体可靠性。

为了克服这一问题，研究人员开始探索使用高熵合金（HEAs）作为填充材料的可能性。HEAs是由多种主元素组成的稳定固溶体结构，具有优异的机械性能和热稳定性。其中，FeCoNiCr基的HEAs因其面心立方（FCC）结构和良好的热稳定性而受到广泛关注。此外，研究还表明，将钛（Ti）引入FeCoNiCr合金中可以引发晶格畸变，从而进一步增强合金的机械性能。因此，使用FeCoNiCrTi高熵合金作为铝/铜激光焊接的填充材料，具有潜在的应用价值。

本研究通过实验与理论计算相结合的方法，系统分析了FeCoNiCrTi高熵合金对铝/铜焊接接头性能的影响。实验部分采用了1毫米厚的6061铝合金与T2铜进行搭接激光焊接，分别制备了添加FeCoNiCrTi与不添加的样品。通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线衍射（XRD）和能谱分析（EDS）等手段，对焊接接头的微观结构、金属间化合物的组成以及机械性能进行了详细研究。同时，利用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，对焊接过程中形成的相的弹性模量进行了分析。

实验结果显示，添加FeCoNiCrTi后，焊接接头的抗拉强度提高了13.7%，而微硬度则略有下降，减少了7.41%。这一变化表明，虽然FeCoNiCrTi的加入降低了接头的硬度，但显著增强了其延展性和能量吸收能力。此外，金属间化合物层的厚度也有所减少，从2.199微米降低至1.027微米。这表明FeCoNiCrTi的加入有效抑制了IMCs的持续生长，从而提高了接头的稳定性。

从微观结构的角度来看，添加FeCoNiCrTi后，焊接接头的金属间化合物层呈现出更加均匀的分布，并且形成了新的相结构。例如，XRD分析结果显示，未添加FeCoNiCrTi的接头主要由Al?Cu组成，而添加后的接头则形成了Al?Cu和TiNi的复合相结构。EDS分析进一步验证了这一结果，显示在添加FeCoNiCrTi的样品中，Ti元素的含量明显增加，表明其在金属间化合物中的存在。TiNi相的形成不仅改变了金属间化合物的组成，还通过晶格畸变和局部成分波动抑制了Al和Cu之间的直接反应，从而减少了IMCs的生成。

通过DFT计算，研究还揭示了FeCoNiCrTi对焊接接头弹性模量的影响。计算结果显示，TiNi相的剪切模量、杨氏模量和体积模量均高于Al?Cu相。此外，TiNi的G/B比值（剪切模量与体积模量之比）低于0.5，表明其具有更强的延展性，属于韧性相。相比之下，Al?Cu的G/B比值为0.6，超过了0.5的临界值，表明其为脆性相。因此，FeCoNiCrTi的加入不仅提高了焊接接头的弹性模量，还优化了其微观结构，使得接头的断裂模式从脆性转变为韧性。

进一步的力学性能测试表明，添加FeCoNiCrTi的样品在抗拉强度和断裂韧性方面均优于未添加的样品。FE-SEM分析显示，未添加FeCoNiCrTi的样品断裂表面呈现出局部空洞和密集的微裂纹，表明其在断裂过程中主要依赖脆性断裂机制。而在添加FeCoNiCrTi的样品中，断裂表面则表现出显著的塑性变形特征，如大量凹坑和撕裂边缘，表明其断裂机制为韧性断裂。这些特征表明，FeCoNiCrTi的加入有效提高了焊接接头的能量吸收能力和抗裂能力。

此外，研究还探讨了FeCoNiCrTi对IMCs生长动力学的影响。通过测量IMCs层的厚度，发现添加FeCoNiCrTi的样品中IMCs层的厚度显著减小，表明其有效抑制了IMCs的生长。结合Fick第一定律和Arrhenius方程，分析表明FeCoNiCrTi的加入降低了有效扩散系数，从而减缓了IMCs的生长速度。这种抑制作用主要源于FeCoNiCrTi对Al和Cu原子扩散的阻碍，以及其在界面处的局部成分波动和多路径扩散机制。

在微观结构层面，FeCoNiCrTi的加入不仅改变了IMCs的组成，还通过形成纳米尺度的TiNi颗粒，改变了界面处的局部应力分布。这些纳米颗粒能够有效阻碍位错运动，促进裂纹尖端钝化，从而延缓裂纹的扩展。同时，弹性异质性也对焊接接头的性能产生了重要影响。TiNi相的高杨氏模量使得接头的弹性模量分布更加不均匀，从而改变了裂纹扩展路径，使其更加曲折，并促进了局部桥接效应，最终提高了接头的韧性。

综上所述，FeCoNiCrTi的加入显著改善了铝/铜焊接接头的性能。它不仅提高了接头的抗拉强度，还通过抑制IMCs的生长和改变其组成，优化了接头的微观结构。此外，TiNi相的形成使得接头的断裂模式从脆性转变为韧性，从而提高了其在高载荷条件下的耐久性。这些结果表明，FeCoNiCrTi作为一种新型填充材料，具有广泛的应用前景，特别是在需要高可靠性的电动汽车电池连接技术中。

研究还发现，FeCoNiCrTi的加入虽然降低了接头的微硬度，但通过引入韧性相，有效缓解了局部应力集中，从而提高了接头的断裂韧性。这种硬度与韧性之间的平衡对于焊接接头的整体性能至关重要。此外，弹性异质性的引入使得接头在裂纹扩展过程中表现出更强的韧性特征，这种特征不仅体现在裂纹路径的改变上，还体现在裂纹扩展速率的降低和裂纹分支的促进上。

从材料科学的角度来看，FeCoNiCrTi的加入对铝/铜焊接接头的影响主要体现在以下几个方面：首先，它通过抑制IMCs的生长，降低了接头的脆性；其次，它通过改变IMCs的组成，引入了韧性相，从而改善了接头的延展性；最后，它通过改变界面处的弹性模量分布，优化了裂纹扩展路径，提高了接头的韧性。这些效应共同作用，使得FeCoNiCrTi成为一种具有应用潜力的新型填充材料。

此外，研究还揭示了FeCoNiCrTi对焊接过程的优化作用。通过结合梯度提升回归树（GBRT）模型与黑翼乌鸦算法（BKA）以及多目标随机涂装优化器（MOSPO）的方法，研究团队优化了焊接参数，包括激光功率、焊接速度、焦距偏移量和填充材料的添加量。这些优化参数不仅提高了焊接接头的质量，还确保了实验的可重复性和可靠性。最终的焊接参数使得接头在力学性能方面表现出色，验证了FeCoNiCrTi对铝/铜焊接接头的正面影响。

总体而言，本研究为铝/铜焊接接头的性能优化提供了新的思路。FeCoNiCrTi的加入不仅提高了接头的抗拉强度和韧性，还通过抑制IMCs的生长，改善了接头的微观结构。这些结果对于推动电动汽车电池连接技术的发展具有重要意义，同时也为其他异质金属焊接提供了有价值的参考。未来的研究可以进一步探讨FeCoNiCrTi在不同焊接条件下的性能表现，以及其在实际应用中的可行性和经济性。