钽-钛异质结构熔焊接头中的晶格共格匹配机制：原子扩散与界面强化的协同作用

为解决钽(Ta)与钛(Ti)异质材料因热物理参数差异（ΔTm 1328°C）、晶格失配（>8%）和低固溶度（<0.5 at.%）导致的界面结合难题，研究人员通过电弧熔焊技术成功实现0.1 mm Ta箔与1.6 mm Ti板的高强度连接。研究发现界面处形成1 μm过渡层，其通过{0ˉ 1}Ta //{1ˉ 10}Ti 晶格共格关系实现原子级匹配，断裂发生于Ti基体而非界面，为高性能Ta-Ti复合结构设计提供理论依据。

　　

在航空航天推进系统、高超声速飞行器和下一代核反应堆等极端环境中，材料需要同时具备超高温稳定性与耐腐蚀性。钽(Ta)因其3020°C的超高熔点、体心立方(BCC)结构赋予的高温强度保持率，以及对抗熔盐和氧化气氛的化学惰性，成为理想选择。然而，钽的昂贵价格限制了其大规模应用。一个经济可行的方案是将薄层钽与低成本高强度的钛(Ti)基体结合，但两者存在三重天然屏障：熔点相差1328°C、BCC与密排六方(HCP)晶系间8%以上的晶格失配，以及低于1000°C时相互固溶度不足0.5 at.%。传统激光增材制造或扩散焊虽能实现连接，但前者因反复热循环导致粗大热影响区，后者需1000°C以上长时间处理引发基体劣化。

针对这一挑战，江西省重点研发计划支持的研究团队创新性地采用电弧熔焊技术，将0.1 mm Ta箔与1.6 mm Ti板进行连接。通过透射电镜(TEM)和选区电子衍射(SAED)等表征手段，首次在熔焊Ta-Ti接头中发现原子级共格界面。相关成果发表在《Materials Characterization》上。

研究采用电弧焊接工艺连接预处理的Ta/Ti板材，通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)结合能谱(EDS)分析宏观形貌与元素分布，利用电子背散射衍射(EBSD)解析晶粒取向，借助纳米压痕仪评估力学性能。关键突破在于采用高分辨TEM直接观测界面原子排列，并通过SAED标定晶体学关系。

微结构分析显示焊接区宽度约2 mm，Ti侧出现显著晶粒粗化现象，而Ta层保持40 μm等轴晶结构。界面过渡层的发现是核心突破：1 μm厚区域由Ta向Ti的定向扩散形成，SAED证实其存在{0^ˉ
1}_Ta
平行于{1^ˉ
10}_Ti
的晶体学对应关系，这种共格匹配使界面能降低60%以上。力学性能测试中，断裂始终发生在Ti基体而非界面，纳米压痕硬度显示过渡层硬度(5.8 GPa)介于Ta(3.2 GPa)与Ti(2.1 GPa)之间，印证了扩散形成的梯度结构。

结论表明：电弧熔焊可制备无缺陷Ta-Ti接头，其强度由原子扩散形成的共格界面决定。过渡层通过BCC/HCP晶面匹配实现应变能最小化，这种机制为设计耐蚀/强韧一体化复合材料提供新思路。该工作首次实验验证熔焊Ta-Ti体系的相干界面理论，将扩散动力学与晶体几何准则关联，对开发航天发动机热端部件等极端环境应用具有重要指导价值。