用于高强度TiAl接头的中等熵合金填充材料Ti-Mn-Fe-Ni-Co-Cr的设计：微观结构与强化机制

《Materials Research Bulletin》：Design of a Ti-Mn-Fe-Ni-Co-Cr medium-entropy alloy filler for high-strength TiAl joints: Microstructure and strengthening mechanisms

TiAl合金焊接中开发Ti-Mn-Fe-Ni-Co-Cr多主元合金填充料，通过熔点计算优化成分设计，实现接头强度528 MPa（750°C），微观结构中纳米孪晶、有序团簇及界面位错协同强化。

　　在现代材料科学的发展过程中，钛铝合金因其独特的物理和化学性能，逐渐成为工业应用中的重要材料。尤其是在高温环境下的应用，如航空发动机的压缩部件，钛铝合金展现了良好的轻量化和耐高温特性。然而，这些材料的固有脆性也对其加工和焊接性能构成了严重限制。因此，开发适合的连接技术，特别是焊接填充材料，成为制造复杂钛铝合金组件的关键环节。

传统的焊接填充材料通常采用镍基合金，但这类材料在高温环境下可能无法满足钛铝合金的性能需求。此外，镍基合金的成本较高，且在焊接过程中容易形成脆性反应层，从而降低高温连接强度。相比之下，钛基合金虽然在某些方面具有优势，但在高温连接性能上仍然存在不足，尤其是在连接界面处形成的脆性相限制了其应用范围。因此，寻找一种能够兼顾连接强度与焊接温度的新型填充材料成为当前研究的重点。

为了应对上述挑战，研究者们开始探索多主元合金（MPEA）作为焊接填充材料的可能性。MPEA具有独特的组成设计灵活性和协同优化的微观结构与强度特性，这使其在解决钛铝合金连接问题上展现出潜力。例如，某些MPEA填充材料已被用于连接不同的材料，表现出良好的连接性能。然而，目前报道的MPEA填充材料在连接钛铝合金时仍存在不足，主要是由于引入了抑制元素铜以及在连接界面处形成的多元素脆性相。因此，进一步开发新型MPEA填充材料，以充分发挥其在连接强度提升方面的潜力，成为亟待解决的问题。

本研究基于冶金学原理和熔点计算方法，提出了一种新型的Ti-Mn-Fe-Ni-Co-Cr多主元合金填充材料。首先，通过计算Ti-Mn-Fe-Ni-Co合金系统的熔点，确定了理论上的共晶点。在此基础上，进一步添加Cr元素，以增强连接强度。研究还通过实验手段分析了填充材料的润湿行为，以及微观和纳米结构与连接强度之间的关系。通过这些研究，不仅揭示了连接机制，还为未来类似材料的设计提供了理论依据。

在连接性能方面，研究发现，该填充材料在1190°C/45分钟的连接条件下，表现出优异的连接强度。具体而言，连接界面中形成了B2、γ-TiAl和α?-Ti?Al相，其中γ-TiAl相的体积分数与连接温度呈正相关。当γ-TiAl相的体积分数达到37.30%时，连接界面在常温下的抗拉强度达到了518 MPa，而在750°C和800°C时的连接强度分别为528 MPa和491 MPa。这些数据表明，该填充材料在高温下的连接强度显著优于已报道的钛铝合金连接材料。

此外，研究还发现，连接界面处的纳米结构细节，如纳米孪晶、堆垛层错及其相互作用，以及Ni-Co富集的有序团簇，能够协同增强连接强度。这些纳米结构的存在不仅提高了连接界面的力学性能，还改善了其高温稳定性。然而，尽管连接强度得到了显著提升，连接界面的断裂特性仍以穿晶断裂为主，这表明在连接材料的优化过程中，还需进一步研究其断裂机制。

在设计过程中，研究者们采用了一种基于熔点计算的方法，以筛选出最优的填充材料组成。这种方法不仅提高了设计效率，还减少了传统试错法所带来的高成本和时间消耗。通过这一方法，研究团队成功地确定了Ti-Mn-Fe-Ni-Co-Cr填充材料的组成比例，使其在高温下的连接性能达到理想水平。

为了进一步验证该填充材料的性能，研究团队进行了详细的微观结构分析。通过背散射电子（BSE）图像和X射线能谱（XEDS）分析，确认了填充材料主要由Ti-Fe和Ti-Mn化合物组成，并溶解了Ni、Co和Cr元素。此外，Ti富集相也溶解了Mn、Fe、Ni、Co和Cr元素，与三元Ti-Fe-Mn系统合金的组成相似。这些结果表明，填充材料的组成设计不仅合理，而且能够有效提升连接强度。

在连接温度方面，研究发现，连接界面的厚度和γ-TiAl相的体积分数均与连接温度呈正相关。这意味着，在更高的连接温度下，连接界面的厚度增加，γ-TiAl相的体积分数也随之增加，从而提高了连接强度。然而，过高的连接温度也可能对钛铝合金母材造成不利影响，因此，需要在连接温度与连接强度之间找到最佳平衡点。

在实际应用中，该填充材料表现出良好的润湿性能，这有助于提高连接界面的质量。同时，其熔点为1091.6°C，这使得它能够在相对较低的温度下进行连接，从而减少对母材的热影响。此外，该填充材料在高温下的连接强度显著优于已报道的钛铝合金连接材料，这表明其在高温环境下的应用潜力较大。

然而，尽管连接强度得到了显著提升，该填充材料在连接界面处的断裂特性仍以穿晶断裂为主。这意味着，在连接过程中，材料的裂纹主要沿着晶界扩展，而不是在晶内形成。这种断裂特性虽然在一定程度上影响了连接强度，但通过优化填充材料的组成和连接条件，可以有效改善这一问题。

为了进一步研究该填充材料的性能，研究团队采用了多种分析方法，包括透射电子显微镜（TEM）、几何相分析（GPA）和三维原子探针（3DAP）。这些方法不仅能够揭示连接界面的微观结构，还能分析合金元素在主要相中的分布情况。通过这些分析，研究团队成功地确定了填充材料的组成比例，并验证了其在连接过程中的性能。

在实验过程中，研究团队发现，该填充材料在连接界面处形成了丰富的边缘位错，这些位错的积累有助于提高连接强度。此外，连接界面处的纳米结构细节，如纳米孪晶、堆垛层错及其相互作用，以及Ni-Co富集的有序团簇，能够协同增强连接强度。这些结果表明，该填充材料在连接过程中的性能不仅依赖于其组成，还与连接条件密切相关。

在应用方面，该填充材料在1190°C/45分钟的连接条件下，表现出优异的连接性能。具体而言，连接界面在常温下的抗拉强度达到了518 MPa，而在750°C和800°C时的连接强度分别为528 MPa和491 MPa。这些数据表明，该填充材料在高温下的连接性能显著优于已报道的钛铝合金连接材料，这使其在高温环境下的应用前景广阔。

然而，尽管连接性能得到了显著提升，该填充材料在连接过程中仍存在一些挑战。例如，连接界面处的纳米结构细节虽然有助于提高连接强度，但其形成过程可能较为复杂，需要进一步研究。此外，该填充材料的连接温度虽然相对较低，但仍可能对钛铝合金母材造成一定的热影响，因此，需要在连接温度与连接强度之间找到最佳平衡点。

综上所述，该研究通过熔点计算方法和多主元合金设计，成功地开发出一种新型的Ti-Mn-Fe-Ni-Co-Cr填充材料，其在高温下的连接性能显著优于已报道的钛铝合金连接材料。通过实验手段，研究团队不仅验证了该填充材料的组成设计，还揭示了其连接机制，为未来类似材料的设计提供了理论依据。此外，该填充材料在连接过程中表现出良好的润湿性能和微观结构特性，使其在工业应用中具有较大的潜力。然而，在实际应用中，仍需进一步研究其连接温度与连接强度之间的关系，以确保其在高温环境下的稳定性和可靠性。