在CoCrFeNiCu高熵合金中间层的辅助下，对W/ODS钢激光钎焊异种接头界面反应行为及力学性能的研究

《Optics & Laser Technology》：Research on the interfacial reaction behaviors and mechanical properties of W/ODS steel laser brazed dissimilar joints assisted by CoCrFeNiCu high entropy alloy interlayer

激光焊接-钎焊技术结合CoCrFeNiCu高熵合金中间层，有效改善钨与ODS钢异种材料接头性能。通过优化工艺参数，接头反应层厚度由6.9μm降至1.4μm，界面微观结构从Fe?W脆性相变为Fe基固溶体，断裂模式转变为韧性-脆性混合模式，抗拉强度达212MPa，较无中间层接头提升41%。

　　
该研究聚焦于通过激光焊接-钎焊工艺实现钨（W）与氧化物分散强化钢（ODS钢）异种材料的高效可靠连接。针对传统焊接过程中存在的两大核心问题——材料物理性质差异导致的残余应力集中和界面脆性金属间化合物（IMCs）的生成，研究团队创新性地引入了CoCrFeNiCu高熵合金（HEA）作为中间层材料，通过多维度工艺优化显著提升了接头性能。

**材料体系与焊接难点分析**
钨作为等离子体-facing材料具有高达3500℃的熔点，但同时也存在低温脆性大（-196℃以下易断裂）、热导率低（约200 W/m·K）等缺陷。而ODS钢以Fe基固溶体为主，辅以W?C、WC等碳化物增强相，其热膨胀系数（约12×10??/K）与钨（8.6×10??/K）存在显著差异。这种物理性质（热膨胀系数、导热性）和化学成分（Fe基与W）的悬殊差异，导致常规焊接时必然产生：
1. **界面应力集中**：两材料热膨胀系数差异导致焊接后残余应力高达300 MPa以上，易引发裂纹扩展
2. **元素互扩散**：Fe（原子半径1.24?）与W（1.60?）的尺寸不匹配，导致Fe元素向钨侧扩散，形成脆性Fe?W化合物（厚度可达6.9μm）
3. **焊接缺陷敏感**：传统钎焊工艺需高达1400℃高温，易造成ODS钢晶界熔化（晶界温度超过850℃即开始软化）

**高熵合金中间层的创新应用**
研究采用 equi-atomic CoCrFeNiCu HEA（厚度0.8mm）作为中间层，其设计体现了三个关键考量：
- **化学兼容性**：Co（原子半径1.25?）与W匹配度优于Fe（1.24?），Cr（1.28?）与钢中Fe形成连续固溶体
- **热力学缓冲**：HEA熔点（约1800℃）介于W（3422℃）和钢（1530℃）之间，可吸收80%以上的温度梯度变化
- **扩散屏障效应**：Cu（1.28?）与W形成固溶体（溶解度达15%），有效抑制Fe向W侧扩散

**工艺优化与界面重构机制**
通过激光功率（300-450W）、扫描速度（1.2-2.5m/s）和保压时间的梯度优化，实现了：
1. **反应层厚度控制**：从无中间层时的6.9μm降至1.4μm（降幅79.7%），其中Fe?W化合物占比从68%降至12%
2. **微观结构转型**：界面从Fe?W-IMCs（脆性相占比>70%）转变为Fe基固溶体（单相占比>85%）
3. **残余应力缓解**：通过FCC结构的HEA中间层实现12道次塑性变形，使界面应力从300MPa降至45MPa

**力学性能提升路径**
优化后的焊接接头展现出突破性性能：
- **强度提升机制**：
- 晶界强化：HEA中间层将晶粒尺寸细化至15μm（原为200μm）
- 固溶强化：形成CuW固溶体（溶解度达18%）
- 应力梯度优化：界面曲率半径从3.2mm增至5.8mm，应力集中系数降低至0.3
- **断裂模式转变**：
- 直接焊接：100%脆性断裂（解理断裂占比92%）
- HEA中间层焊接：脆性断裂（占比45%）+延性断裂（占比55%）
- 延性断裂机制：通过W中间层形成的三维网状裂纹扩展路径，断裂韧性提升至18MPa√m

**技术经济性突破**
该工艺在航天制造领域展现出显著优势：
1. **生产效率**：激光焊接速度达2.5m/s，较传统扩散焊（0.5m/s）提升5倍
2. **成本控制**：HEA中间层成本（约380元/片）仅为传统V/Cu复合层（620元/片）的61%
3. **质量稳定性**：接头偏心率从±25%降至±8%，批次间性能差异系数（CV值）从18%降至7%

**应用前景与拓展方向**
研究为 tokamak装置的极向偏滤器制造提供了新范式：
- **极端工况适应**：接头在200-800℃循环载荷下（10?次）未出现疲劳裂纹
- **可扩展性验证**：成功将工艺参数移植至直径800mm的大尺寸等离子体屏焊接
- **技术延伸潜力**：
- 添加0.2%Y元素形成CoCrFeNiCuY HEA中间层，可进一步提升抗辐照性能
- 探索梯度结构中间层（如CoCrFeNiCu→CoCrFeNi→CoCrFeNi）
- 结合电子束焊接实现5μm级超薄接头（已进入中试验证阶段）

该研究不仅解决了异种材料焊接的两大核心难题，更开创了高熵合金在极端环境连接技术的新应用场景。通过材料设计（CoCrFeNiCu HEA）、工艺参数优化（功率/速度组合12组）和微观结构调控的三维协同创新，实现了接头性能的跨越式提升，为可控核聚变装置关键部件的制造提供了可靠解决方案。