Ti-Mn-Fe-Ni-Nb中熵合金钎料钎焊TiAl合金的微观结构演变与连接机制研究

针对TiAl合金钎焊接头强度不足的难题，中国科学院研究人员通过设计Ti-Mn-Fe-Ni-Nb五元中熵合金(MEA)钎料，系统研究了其液相线温度(1084.2°C)、动态润湿性(接触角24.5°)及接头微观结构(B2/γ-TiAl/α2 -Ti3 Al多相组织)。该钎料在1180°C/45min工艺下获得463MPa室温抗拉强度(达基体78.5%)，750°C时仍保持497MPa(强度系数88.3%)，纳米孪晶和6H/18R长周期堆垛有序结构(LPSO)显著提升接头性能，为航空航天轻量化材料连接提供新方案。

　　

论文解读
在航空航天领域，轻量化材料TiAl合金因其优异的高温强度和低密度被誉为"未来合金"，但其固有的难焊接性却成为制约应用的阿喀琉斯之踵。传统Ag-Cu-Ti钎料虽能实现连接，但会在接头处形成脆性Al-Cu-Ti金属间化合物，导致接头强度断崖式下跌；而Ti-Zr-Cu-Ni等高熵合金(HEA)钎料又因含低熔点Cu元素，高温性能捉襟见肘。更棘手的是，现有钎料需1200°C以上高温操作，极易引发母材热损伤。这种"强度-工艺性"的二元悖论，迫使科学家必须开发新型钎料体系。

中国科学院团队另辟蹊径，将目光投向中熵合金(MEA)设计。受启发于Ti-Mn-Fe三元合金的相容性和Ni-Nb共晶的降熔特性，研究人员通过Thermo-Calc热力学计算，精准调配出Ti-17.72Mn-13.29Fe-6.77Ni-4.62Nb(at.%)五元钎料，其液相线温度仅1084.2°C。采用三维原子探针(3DAP)、透射电镜(TEM)等表征手段，结合动态润湿性测试和高温拉伸实验，系统研究了钎料特性与接头性能的构效关系。

Melting point calculation for Ti-Mn-Fe-Ni-Nb filler alloy
通过TCHEA7热力学数据库计算发现，当Ni-Nb含量为6.77at.%时，五元体系呈现最低液相线温度。这种"双合金协同效应"源于：Ti-Mn-Fe三元组分提供基体相容性，而Ni-Nb共晶的加入使熔点较纯Ti-Mn-Fe合金降低54.8°C，实现钎焊温度<1200°C的技术突破。

Characteristics of Ti-Mn-Fe-Ni-Nb medium-entropy filler alloy
钎料混合熵ΔS_mix
达10.12 J K^-1
mol^-1
，符合MEA定义标准。X射线衍射(XRD)显示其由Ti基固溶体、TiFe和TiMn相组成，Nb、Ni元素以固溶形式存在。动态润湿实验揭示，在1150°C保温5min后，钎料在TiAl基体上呈现24.5°的超低接触角，预示优异铺展性能。

Microstructural evolution of brazed joints
接头呈现典型三明治结构：中心区为残余钎料反应相(六方密排结构)，过渡区由B2相和α₂
-Ti₃
Al组成，界面处存在10nm厚成分梯度层。TEM观察到γ-TiAl相内纳米孪晶与位错的交互作用，以及6H/18R型LPSO结构——这些纳米级缺陷工程有效阻碍裂纹扩展。随着钎焊温度升高，γ-TiAl相体积分数从21.4%(1150°C)增至31.6%(1180°C)，残余钎料层厚度则从58μm减至12μm。

Mechanical properties
最优工艺(1180°C/45min)下，接头室温抗拉强度达463MPa，相当于母材的78.5%。高温测试显示，750°C和800°C时强度分别保持在497MPa和469MPa，强度系数突破90%。断口分析表明，裂纹沿钎缝曲折扩展但仍呈脆性特征，这与B2相和LPSO结构的协同强化机制有关。

结论与展望
该研究通过"计算设计-实验验证"策略，开创性地将MEA概念引入钎料开发，解决了TiAl连接中的三难问题：低温工艺性(1084.2°C)、高强度(463MPa)和优异高温性能(800°C强度保持率90.7%)。特别是发现纳米孪晶与LPSO结构的协同强化机制，为新型钎料设计提供了理论范式。未来工作可进一步优化Nb/Ni比例，探索多元共晶体系，推动MEA钎料在第三代航空发动机中的应用。论文发表于《Journal of Materials Science》，展现了我国在先进连接材料领域的原创性突破。