一种利用过冷块状金属玻璃超塑性的新型TiAl/GH4099连接工艺

《Journal of Non-Crystalline Solids》：A Novel TiAl/GH4099 joining strategy utilizing the superplasticity of undercooled bulk metallic glass

本研究利用真空压铸技术制备Ni62Nb38块体非晶合金中间层，通过其超塑性实现TiAl与GH4099高温合金的高强度连接。显微分析和剪切测试表明，该工艺在室温下获得315 MPa剪切强度，高温750°C时仍保持250 MPa强度，揭示了过冷液态收缩及原子扩散机制对冶金结合的关键作用。

　　

K.W. Dong | J. Wang

南京工业大学机械与动力工程学院，中国南京211816

摘要

大块金属玻璃（BMGs）由于其无缺陷的原子结构，在过冷液相区域表现出独特的性能，包括超高强度、卓越的硬度和超塑性。在本研究中，利用BMGs的超塑性实现了高温合金之间的高强度连接。通过真空压铸技术制备了0.5毫米厚的Ni₆₂Nb₃₈非晶中间层，并用于连接TiAl和GH4099合金。结果表明，与通过传统单辊熔融纺丝制备的非晶带状焊料相比，真空压制法制备的中间层具有更好的稳定性和性能一致性。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）技术分析了过冷液相区域界面孔隙的收缩行为以及随温度升高的原子扩散和微观结构演变。研究结果表明，形成了坚固的冶金结合，接头由γ-TiAl/Ti?Al/AlNi?Ti/NiNb和Ni?Nb/γ-Ni相组成。在室温和750°C下进行的剪切测试表明，接头的剪切强度分别达到了315 MPa和250 MPa。

引言

大块金属玻璃（BMGs）具有优异的物理和机械性能，如高强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性，使其在广泛的应用领域具有巨大潜力[[1], [2], [3]]。迄今为止，研究人员已经开发出了500多种大块非晶合金成分，包括基于Ti、Fe、Zr和Ni的合金[4]。然而，尽管这些合金具有显著的性能，但由于其在室温下的固有脆性，尚未实现大规模的工业应用。

为了充分发挥大块非晶合金的性能潜力，Santoni等人利用了这些材料在过冷液相状态下的超塑性，在微成型技术中成功应用于微器的精密制造[[5], [6], [7]]。由于材料的塑性变形主要发生在微观尺度上，因此塑性微成型技术要求材料具有优异的塑性和低变形抗力。大量实验表明，非晶合金在过冷液相区域表现出极高的塑性和优异的流动性，使其成为塑性微成型和微组件精密制造的理想候选材料。与微铸造和粉末成型技术相比，塑性微成型在较低的温度下进行，并且成型周期更短，从而能够制造出具有均匀微观结构和稳定性能的非晶微组件[8,9]。此外，通过这种工艺制备的非晶合金组件具有高尺寸精度、优异的表面质量，并且后续处理的需求最小。目前，这种技术是制造微尺度非晶合金组件的最有前景的方法，为它们在微机电系统（MEMS）和光学设备中的应用奠定了坚实的基础。

Schroers等人还开发了一种新的“最大直径方法”来评估非晶合金的微成型能力[9]。Wang等人采用热压印技术在基于Pt的非晶合金表面印制了特征尺寸为数十微米的特殊晶格结构，并基于该方法推导出了填充高度与各种工艺参数之间的关系[10]。Inoue等人利用聚焦离子束（FIB）技术在Si模具上制备了亚微米甚至纳米级的微结构，然后在真空条件下对过冷液相状态下的非晶合金进行塑性成型，成功在基于Pt的非晶合金表面制备了精细的晶格结构[11]。

非晶合金的另一个显著应用是作为焊料。作为一种具有巨大发展潜力的新兴材料，非晶焊料具有均匀的成分、优异的成型性和卓越的韧性。Yuan等人使用基于Ni的非晶焊料通过瞬态液相（TLP）扩散连接实现了双相不锈钢的连接，并取得了良好的结果[12]。Xu等人使用含硼的Cu-P基非晶焊料连接铜，发现微量硼起到了表面活性元素的作用，提高了润湿性和接头性能[13]。Ganjeh等人报告称，当Cu、Zr和Ni等元素与Ti结合时，可以形成熔点低且流动性好的薄带钎焊材料。这些材料能够有效连接Si?N?陶瓷、纯Ti和Ti-6Al-4V等物质，取得了优异的连接效果[14]。Zhao等人使用淬火的Al-Si-Cu-Zn填充金属连接纯铝和6063铝合金，观察到淬火过程显著降低了合金的熔点并缩小了其熔化范围，同时提高了润湿性[15]。Lee等人使用Zr-Ti-Cu-Ni-Be非晶合金连接Ti和Ti-Cu不同材料，并研究了由此产生的微观结构演变和接头强度[16]。

尽管非晶焊料具有这些优点，但它们通常含有Si、B和P等脆性元素。这些元素阻碍了传统的加工技术，如冲压和切割——尤其是在厚度≤0.03毫米的薄带情况下[17,18]。这一限制极大地限制了它们在高温合金钎焊中的广泛应用。

为了解决这一挑战，本研究将非晶合金的超塑性（适合塑性微成型）与其亚稳态结构的良好扩散性能结合起来，用于钎焊。通过真空压铸制备了熔点为1483 K的二元Ni₆₂Nb₃₈金属玻璃薄片，并成功用于连接TiAl和GH4099合金。分别使用Kissinger方程和Hagen-Poiseuille定律分析了结晶行为和填充过程。通过配备能量色散光谱（EDS）的扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）研究了接头内的微观结构特征和原子扩散特性。在30°C和750°C下进行剪切测试，以评估室温和高温条件下的连接强度。

章节片段

Ni₆₂Nb₃₈非晶中间层的制备

为了尽量减少中间层厚度对焊接部件的影响，使用了一种定制设计的铜模具（如图1(a)所示），结合真空压铸技术制备了0.5毫米厚的Ni₆₂Nb₃₈非晶中间层。图1(b)展示了真空压铸装置的示意图。整个压铸过程在真空条件下进行，以确保高纯度和结构均匀性。图1(c)显示了铸造后的非晶合金照片。

异质界面的超塑性填充

图4(a)和4(b)展示了基体合金与Ni-Nb大块金属玻璃（BMG）中间层之间的界面SEM图像。如图4(a)所示，在过冷液相中保持一段时间后，非晶合金中间层的厚度显著减小。这种现象主要是由于非晶合金在这种条件下处于粘性流动状态；在

结论

本研究提出了一种创新的连接策略，将真空压铸技术与超塑性结合，以提高TiAl/Ni异种接头在高温下的可靠性。该方法利用了大块金属玻璃（BMG）在过冷液相区域的独特超塑性变形特性。通过使用高熔点的Ni-Nb非晶填充材料，我们实现了无缺陷的冶金结合，同时保持了

CRediT作者贡献声明

K.W. Dong： 资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。J. Wang： 监督、资源提供、项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52301051）的资助