铜硅填料与银夹层协同作用下TC4/QP980异种金属激光-电弧复合焊接的微观机制与性能优化

针对钛合金/钢异质结构焊接中脆性Ti-Fe金属间化合物(IMCs)导致的接头性能瓶颈，研究人员创新性采用CuSi3焊丝与Ag夹层协同策略，通过激光-电弧复合焊接技术实现TC4/QP980高质量连接。实验结合第一性原理计算揭示Ti(Cu,Ag)和Ti2(Cu,Ag)的强化机制，获得4020 N/mm的峰值剪切载荷，为航空航天领域异种材料连接提供新思路。

　　

在航空航天和汽车制造领域，钛合金与高强钢的异种材料连接一直是令人头疼的"联姻难题"。这对"新人"不仅物理性质差异悬殊——钛的热膨胀系数比钢高出近50%，更会在高温"约会"时产生Ti-Fe金属间化合物(IMCs)这类"婚姻杀手"，导致接头脆如饼干。传统铜填料虽能阻隔钛铁直接反应，但形成的Ti-Cu IMCs仍是接头最薄弱的"感情裂痕"。

中国某研究机构的研究人员独辟蹊径，为这对"怨侣"设计了"复合婚介方案"：采用CuSi3焊丝作"主婚人"，0.1mm纯银箔当"情感调节剂"，通过激光-电弧复合焊接这种"精准婚介技术"，成功促成了TC4钛合金与QP980高强钢的"美满联姻"。这项发表在《Materials Today Communications》的研究显示，当焊接电流调至120A这个"甜蜜点"时，接头剪切载荷达到惊人的4020N/mm，比无银夹层的"裸婚"版本性能显著提升。

研究团队运用三大关键技术：脉冲激光-电弧复合热源精确控制热输入，扫描电镜(SEM)与能谱(EDS)解析微观结构"情感图谱"，以及第一性原理计算破解Ag原子在TiCu晶格中的"调和密码"。通过建立焊接电流（110-150A）与接头性能的"情感曲线"，发现热输入过高会导致Ti-Fe-Si IMCs这类"第三者"出现，破坏接头"感情基础"。

Macrostructure and mechanical properties
焊缝成形良好，接触角随热输入增加从72°降至58°。力学性能呈现先升后降的"抛物线爱情"，120A时达性能峰值，断裂模式从Ti-Cu反应区断裂转变为熔合区断裂，银的加入使断裂路径"绕开"应力集中区。

Microstructure evolution mechanism
第一性原理计算揭示：Ag原子在TiCu中形成能(-0.43eV)比在Ti₂Cu(-0.32eV)更低，更易固溶。这种"原子级插足"使Ti(Cu,Ag)剪切模量提升12%，Ti₂(Cu,Ag)体积模量增加9%，相当于给IMCs装上了"纳米弹簧"。

Conclusion
研究证实Ag的"和事佬"作用通过三重机制实现：抑制脆性Ti-Fe相生成、优化Ti-Cu IMCs力学性能、改变裂纹扩展路径。这种铜银协同策略为异种材料焊接提供了"原子设计"新思路，其4020N/mm的剪切强度比文献报道的铜基填料接头提升54%，在航天器燃料舱等承力结构中有重大应用前景。需要警惕的是，当热输入超过135A时，熔合区生成的TiFeSi相会形成"应力黑洞"，导致性能急剧下降，这为工艺窗口优化提供了明确警示。