协同设计钛基中间层实现TiAl/Ti2AlNb异质接头在常/高温下的高强度脉冲电流扩散连接

为解决TiAl与Ti2AlNb合金因结构/化学差异导致的界面脆性难题，研究人员通过设计含亚稳β基体的多元素固溶钛基中间层，开发了脉冲电流扩散连接（PCDB）新工艺。该技术实现了梯度界面结构（α2+B2/α2→B2）调控，使接头室温抗拉强度达684.1 MPa（断裂于TiAl基体），700°C下保持587.9 MPa，为航空航天高温部件连接提供突破性解决方案。

　　

研究背景与意义
TiAl金属间化合物与Ti₂AlNb合金作为新一代轻质高温结构材料，在航空发动机叶片等关键部件中展现出巨大潜力。然而，二者在热膨胀系数、晶体结构（γ-TiAl与B2/α₂多相）上的显著差异，导致传统连接技术易形成脆性金属间化合物相，使接头成为整个构件的薄弱环节。尤其当服役温度超过600°C时，现有连接接头的强度往往骤降至基体材料的50%以下。这一瓶颈严重制约了异质材料组合在极端环境下的工程应用。

针对这一挑战，中国科学院金属研究所的研究团队创新性地提出"材料-工艺协同设计"策略：通过开发具有特定相组成（亚稳β基体+多元素固溶体）的钛基中间层，结合脉冲电流扩散连接（Pulsed-current diffusion bonding, PCDB）的动态能场调控优势，成功实现了TiAl/Ti₂AlNb接头在室温至700°C范围内的强度突破。相关成果发表于《Materials Characterization》，为高温结构件的可靠性连接提供了新范式。

关键技术方法
研究采用真空感应熔炼制备Ti-35Zr-10Nb-6Cu（wt%）中间层合金，通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）表征其β相稳定性。PCDB工艺在10^-3 Pa真空环境下进行，参数优化范围为850-950°C/15-60 min/5-20 MPa。利用电子探针微区分析（EPMA）绘制元素扩散梯度，结合电子背散射衍射（EBSD）解析界面相演变规律。力学性能测试涵盖室温至700°C的拉伸试验，同步采用数字图像相关（DIC）技术监测应变分布。

研究结果

1. 中间层设计原理
   亚稳β-Ti基体中的Zr/Nb元素显著抑制α相析出，Cu元素降低原子扩散激活能。这种多组元固溶体在PCDB过程中形成"自调节"扩散通道，使Ti/Al/Nb元素呈现梯度分布（EPMA证实扩散区宽度达50 μm）。

2. 界面结构演化
   在最佳工艺参数（900°C/30 min/10 MPa）下，界面形成三层特征结构：

• TiAl侧：2 μm厚的α₂(Ti₃Al)单相层→5 μm厚的α₂+B2(Ti₂AlNb)双相层
• Ti₂AlNb侧：B2相主导的10 μm过渡区
  这种梯度结构有效缓解了热应力集中（有限元计算显示峰值应力降低37%）。

1. 强化机制解析
   TEM揭示三重协同效应：

• 固溶强化：Zr/Nb在α₂相中的固溶度达6.2 at%
• 缺陷工程：β相中高密度位错墙（间距<100 nm）与纳米孪晶（宽度~20 nm）
• 界面钉扎：B2/α₂相界处的共格析出相（尺寸<50 nm）

1. 力学性能突破
   室温拉伸时裂纹沿TiAl基体扩展（非界面），证明连接强度超过TiAl自身（684.1 vs 650 MPa）。700°C下接头强度保持率达86%，显著优于传统Ti/Nb中间层接头（<500 MPa）。高温断裂表现为穿晶与沿晶混合模式，梯度界面有效阻碍裂纹扩展。

结论与展望
该研究通过"成分设计-工艺优化-结构调控"的全链条创新，实现了三大突破：首次在TiAl/Ti₂AlNb连接中应用亚稳β型中间层；阐明脉冲电流促进元素定向扩散的动力学机制；建立梯度界面结构与高温性能的定量关系。所开发的PCDB技术已成功应用于某型航空发动机静子部件的试制，使连接工序能耗降低40%。未来通过引入机器学习优化中间层成分，有望将工艺窗口进一步拓宽至800-1000°C范围，为高超音速飞行器热端部件制造提供关键技术支撑。