本實驗室自近年來，對高熵合金之銲接性能進行多項研究，獲致下列 研究成果：
(1)選用不銹鋼銲條與超合金銲條進行高熵合金異種銲接後，由銲道外觀品 質結果，以超合金 230、718 及 316 不銹鋼等三種銲條，對於 304 不銹 鋼與高熵合金的異種材料 TIG 銲接，其銲道表面之巨觀品質為最佳。
(2)超合金 230 銲條對高熵合金施銲後，可獲得良好之銲件強度，超合金 718 銲條銲接高熵合金可獲得最佳伸長率。
(3)超合金 718 銲條銲接高熵合金可獲得最佳伸長率，其次為超合金 230 銲
條。如以高熵合金的種類作比較，以 FeCoNi2CrA10.5MnC0.1高熵合金銲 件 之 伸 長 率 為 最 佳 ， 其 次 為 FeCoNiCrCuAlC0.1 高 熵 合 金 銲 件 ， 以 FeCoNiCrCuAl0.5C0.1高熵合金銲件之伸長率最差。
(4)FeCoNiCrCu、FeCoNiCrCuC0.1、FeCoNi0.5CrAl0.5高熵合金銲件之熱影響 區部份，具有類似「析出硬化」的現象，其熱影響區硬度值高於母材部 分。
(5)以高熵合金銲條以及超合金 230、718 銲條對高熵合金及 304 不銹鋼進 行異種銲接，以高熵合金銲條施銲者可獲得最佳之強度及延伸率。
(6)FeCoNi0.5CrAl0.5高熵合金以同質之高熵合金銲條對 304 不銹鋼進行異種 銲接，其銲件之抗拉強度優於 304 不銹鋼。
2.7 TIG 銲接介紹［21-22］
電弧銲接(arc welding)的最初方法是使用碳棒作為電極，當二支碳棒接 上適當電源(最初使用直流電源)，連接於負極之碳棒，稱為陰極(cathode)，
連接於正極之碳棒稱為陽極(anode)；當兩極接觸後立即分離，在兩極間之 空氣被電離而產生光束即稱之為電弧(arc)，電弧之溫度可達 3000℃以上，
可將兩銲件之接合部及填充料熔化而接合，後來經過改良而有各種電弧銲 法的發明，然其原理都是一樣的，其示意圖如圖 2-4 及 2-5 所示，電弧可視 為在具有一定電壓的兩電極間或電極與工件間在氣體介質中產生強烈且持 久之放電現象。換言之，電弧是一種可以控制的「局部氣體長時間穩定之
導電現象」。值得注意的是，由於電弧在放電或導電的過程中，除了會產生 大量的熱能外，同時亦會形成強烈的弧光，因此在進行銲接工作時必須要 注意銲接電弧的高溫與強光危害。
圖 2-4 熔極式電弧銲接[22]
圖 2-5 非熔極式電弧銲接[22]
2.7.1 銲接電弧之結構
如圖 2-6 所示，為一惰氣鎢極電弧銲之電弧結構與電壓降的關係圖。由 圖中可明顯得知銲接電弧之結構主要可分為陰極區(cathode zone)、弧柱區 (arc column zone)及陽極區(anode zone)等三大部分，茲將其重要特性簡述如 下[21，22]：
A r c 的分佈狀態，因此會形成一陡峭的電壓降，此稱為陰極壓降(cathode drop)。
(2) 弧柱區
此區域介於陰極區與陽極區之間。一般所稱的電弧長度(arc length)其實 就是指弧柱長度。由於弧柱區之帶電離子呈均勻的分佈狀態，因此會形成 一趨於線性的電壓降，此稱為電漿壓降(plasma drop)。
(3) 陽極區
此區域的範圍約為 10-3～10-4cm 左右。由於陽極區(工件)之帶電離子亦 呈不均勻的分佈狀態，因此也會形成一陡峭的電壓降，此稱為陽極壓降
(anode drop)。 即稱為電壓-電流靜特性(static volt-ampere characteristic)。
如圖 2-7 所示為電壓-電流的靜特性曲線。由圖中可明顯得知電壓-電流
(1) 下降特性曲線（a-b 線段）
在較低的銲接電流區間內，當銲接電流增加時其電弧電壓將隨之降低。
(2) 水平特性曲線(b-c 線段)
在較高的銲接電流區間內，無論銲接電流增加或減小其電弧電壓近乎 保持一定位。
(3) 上升特性曲線(c-d 線段)
在極高的銲接電流區間內，當銲接電流增加時其電弧電壓將隨之提 高。至於影響電壓-電流靜特性之主要因素則有下列兩方面：
(1) 電弧長度之影響
當電弧長度增加時，由於電弧電壓值將會提高，因此電壓-電流的靜特 性曲線也會隨之提升。
(2) 保護氣體之影響
主要係取決於保護氣體的熱傳導性。舉例而言，CO2比 Ar 氣體會產生 較高的電弧電壓值，亦即會提升電壓-電流的靜特性曲線位置。由於 CO2氣 體的高溫熱傳導性優於 Ar 氣體，因而會造成 CO2氣體有較高的熱量損失 率，進而使得單位電弧長度上要有較高的 IE 值與其保持平衡。因此當銲接 電流在維定值的情況下，其電弧電壓勢必要提高。
2.7.3 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding)銲接法
惰氣鎢極電弧銲法(GTAW)。此銲接法屬非消耗式電極之銲接。俗稱
TIG(tungsten inert gas)。保護氣體從銲槍供給來防止電極、銲池、電弧及鄰
Direction of Travel
W elding Torch Tungsten Electrode
Arc
Filler M etal Shielding Gas
M olten W eld M etal Solidified
W eld M etal Base M etal
圖 2-8 GTAW 銲槍示意圖[21]
2.7.4 銲接參數
GTAW 操作過程中主要的銲接變數如下：
(1) 電流(I)：
電流越大則熱輸入量越高，電弧壓力增大，可增加熔透效率。常見之 電流型態有 DCEN、DCEP 與 AC 三種，如表 2-1 所示。
(2) 電壓(V)
電壓和保護氣體、電弧長度、與電極幾何形狀有關。實驗時，上述三 個變數皆為定值，電壓大小變化不大。
(3) 銲接走速(S)
銲接速度愈快，熱量集中在銲道，熔解效率高，銲接速度愈慢，熱量 由母材吸收，熔解效率低。但速度愈快則易生成 undercut 及 centerline crack。
(4) 熱輸入量(Q)：
在同一銲接速度下，熱輸入量愈大，則熔透量愈多，不同之電流、電 壓與銲接走速之組合，可得相同之熱輸入量。但其熔融狀態和熔解效率隨 著銲接速度加快而增加。
表 2-1 GTAW 電流型式及特性[21]
Current Type DCEN DCEP AC(Balanced) Electrode
Polarity Negative Positive
Electron and Ion Flow
No Yes Yes-Once Every Half Cycle
Heat Balance in the Arc(Approx.)
70% At Work End 30% At Electrode End
30% At Work End 70% At Electrode End
50% At Work End 50% At Electrode End
Penetration Deep ; Narrow Shallow ; Wide Medium
Electrode
三、研究方法與步驟 3.1 實驗流程
本研究係以 FeCoNiCrCuAlxC0.1 高熵合金(x=0,0.5,1)鑄件及銲件進行不 同溫度及持溫時間之熱處理實驗後，探討其機械性質與顯微組織，進行一 系列研究分析，實驗流程如圖 3.1 所示。
圖 3-1 實驗流程圖
高熵合金熔煉
實驗規劃與準備
試片製備
銲件
熱處理
SEM 觀察
資料整理與分析
結論
EDS 分析 OM 觀察 硬度試驗
TIG 銲接 鑄件
3.2 實驗材料
3.2.1 銲接母材(base metal)
本研究之銲接母材為不同鋁含量之 FeCoNiCrCuAlxC0.1高熵合金鑄件，
(at%) 16.39 16.39 16.39 16.39 16.39 16.39 1.64
3.3 實驗步驟
卻系統以及氣體導管水導管等。
3.3.2 熱處理 Matsuzawa MHT-1 微硬度量測試驗機，如圖 3-4 所示。實驗過程中使用荷重 300gf、加壓時間 10 sec 之量測參數，由銲道中心向右側每隔 0.5mm 量測 一點，如圖 3-5 所示，共量測 20 點，涵蓋銲道、熱影響區及母材。此外，
並單獨對鑄件再量測 5 點硬度值並求取其平均值。然後將所有量測到之硬 度值，做位置座標與硬度值之分佈曲線，以瞭解高熵合金鑄件、銲件以及 經熱處理後之硬度變化情形。
圖 3-3 微硬度量測試驗機(Matsuzawa MHT-1)
圖 3-4 微硬度試驗量測試示意圖(單位:mm)
3.3.4 金相顯微組織觀察
將高熵合金銲接之試片，以水冷式砂輪切割機切取金相觀察試片，所 得之試片經鑲埋→研磨→拋光→腐蝕後，再以清水與酒精洗淨並烘乾後，
再以光學顯微鏡(Optical Microscopy，OM)及 SEM，觀察其銲道、熱影響區 及銲接母材等區域附近之微觀組織，觀察位置如圖 3-6 所示。本實驗所使用 之腐蝕液為王水（10ml 硝酸＋30ml 鹽酸），腐蝕時間約為 5 至 10 秒鐘。
0.5
圖 3-5 金相組織觀察位置示意圖
3.3.5 EDS 元素分析
元素分析以 SEM 附設之 EDS 系統分析不同鋁含量之高熵合金鑄件成 份分佈狀況，以了解鑄造過程之成份組織狀態與程度，並將分析結果與機 械性質試驗之實驗結果，以了解鋁元素含量對高熵合金機械性質之影響。
銲道
熔融線 熱影響區
1 2
3
母材
四、結果與討論
4.1 FeCoNiCrCuAl
xC
0.1高熵合金鑄件顯微組織研究
本硏究探討不同 Al 元素含量對 FeCoNiCrCuAlxCo.1高熵合金(X=0、
0.5、1)鑄件及銲件之機械性質與顯微組織之影響，其母材經 EDS 成份分析 其結果如表 4-1 所示，其鑄件成份與設計之比例相近。
圖 4-1 為不含 Al 元素之 FeCoNiCrCuC0.1高熵合金的 SEM 顯微組織觀 察照片，其結構由樹枝組織與樹枝間組織所構成，於圖 4-1(b)中可觀察得樹 枝組織基地中有微小析出物存在，而在樹枝間組織中則有顆粒狀結構，經 EDS 成份分析結果可知，樹枝組織中之元素成份以高熔點的 Cr、Fe、Co、
Ni 等元素為主，熔點較低之 Cu 元素大量偏析於樹枝間組織結構中，而 C 元素則平均分佈於樹枝組織與樹枝間組織中，如表 4-2 所示。
當 Al 元素添加比例增加為 X=0.5 時，由其 SEM 照片可以發現樹枝組 織亦有析出物存在，而富銅之偏析組織內則呈現顆粒狀與針狀結構，如圖 4-2 所示。表 4-3 為 EDS 元素分佈分析結果，其中，樹枝組織中同樣以高熔 點元素為主，而樹枝間組織中則以較低熔點之 Cu 及 Al 元素偏析為主，而 C 元素則主要分佈於樹枝間組織中。
當 X=1.0 時，FeCoNiCrCuAlxC0.1高熵合金鑄件呈現板牆狀週期交錯之 結構，如圖 4-3 所示。經 EDS 分析後，其板牆狀樹枝狀結構以高熔點 Cr、
Fe、Co、Ni 等元素以及 C 元素所組成，如表 4-4 所示。板牆間之樹枝間組
織，則因受王水大量腐蝕且樹枝間寬度過窄，無法以 EDS 量測其成份含量， 序為 C、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Al，而 Cu 與其他原子配對時，除了 Cu-Al 之外，都是吸熱（正值），亦即 Cu 不易與 Cr、Fe、Co、Ni 結合，Al 則與
EDS 15.93 15.98 15.52 14.07 12.44 15.96 10.09
註 1：C 元素含量值為參考
(a)
(b)
圖 4-1 FeCoNiCrCuC0.1高熵合金母材 SEM 照片(a)650 倍；(b)2000 倍
表 4-2 FeCoNiCrCuC0.1高熵合金母材 EDS 成份分析表(at%)
Fe Co Ni Cr Cu Al C A:樹枝組織 20.36 19.69 19.76 18.19 7.70 － 14.14 B:樹枝間組織 3.63 3.44 7.44 1.6 69.89 － 13.42
A
B
(a)
(b)
圖 4-2 FeCoNiCrCuAl0.5C0.1高熵合金母材 SEM 照片(a)500 倍；(b)2000 倍
表 4-3 FeCoNiCrCuAl0.5C0.1高熵合金母材 EDS 成份分析表(at%)
Fe Co Ni Cr Cu Al C A:樹枝組織 20.91 20.76 16.16 19.45 8.35 6.47 7.9 B:樹枝間組織 3.37 3.54 12.47 2.12 47.86 13.02 17.60
A
B
(a)
(b)
圖 4-3 FeCoNiCrCuAlC0.1高熵合金母材 SEM 照片(a)1000 倍；(b)2500 倍
表 4-4 FeCoNiCrCuAlC0.1高熵合金母材 EDS 成份分析表(at%) Fe Co Ni Cr Cu Al C A:樹枝組織 10.67 10.56 9.21 8.08 5.01 3.52 52.96
A
4.2 熱處理對 FeCoNiCrCuAl
xC
0.1高熵合金鑄件之影響研究
4.2.1 熱處理對 FeCoNiCrCuC0.1高熵合金鑄件之影響
本研究對 FeCoNiCrCuC0.1高熵合金鑄件施以 800~1000℃且保持不同時 間之熱處理，圖 4-4 為 800℃熱處理不同持溫時間後空冷之 SEM 照片，其 中 FeCoNiCrCuC0.1高熵合金鑄件於 800℃熱處理 2 小時及 8 小時後，其樹 枝狀結構無明顯變化，而在富銅之樹枝間組織中，鑄造態之顆粒狀結構，
隨熱處理時間之增長，有逐漸球化之趨勢，且出現少許微小之顆粒物。
圖 4-5 為 FeCoNiCrCuAl0.5C0.1高熵合金鑄件施以 800℃不同時間熱處理 之顯微組織 SEM 照片，其中樹枝狀結構經 800℃熱處理後，無明顯變化，
而富銅樹枝間組織結構，由鑄造態之針狀及顆粒狀結構，隨熱處理時間增 長，顆粒狀結構逐漸消失，而針狀結構則逐漸增加，於 800℃熱處理 8 小時 後，僅留下針狀結構。
圖 4-6 為 FeCoNiCrCuAlC0.1高熵合金鑄件於 800℃不同時間熱處理之顯 微組織 SEM 照片，其中，樹枝組織之板狀結構於 0.5 至 8 小時熱處理後，
無明顯之結構變化。
在硬度變化方面，FeCoNiCrCuC0.1高熵合金鑄件經 800℃熱處理 2 小時 後，其硬度由鑄造態硬度 Hv215 提升至 Hv258，硬度增加約 20%，類似高 溫析出硬化效應。而在 800℃熱處理超過 2 小時後，硬度則逐漸下降，應為 過時效所致，如圖 4-7 所示。當提高熱處理溫度至 900℃及 1000℃時，