铌元素策略性添加增强TiZrCuNi钎焊接头抗热震性能的机理研究

针对Ti-Al系金属间化合物异质连接中脆性相析出和热应力集中导致的接头抗热震性能不足问题，研究人员通过机械混粉法制备含Nb颗粒的TiZrCuNi复合钎料，系统研究了Nb含量对Ti4822/Ti2AlNb接头微观组织演变和力学性能的影响。结果表明，7.5 wt.% Nb的钎料在980°C/60min工艺下可获得抗拉强度410.85±43.32 MPa的接头，且经50次热循环后强度无衰减，为航空发动机高温部件可靠连接提供了新方案。

　　

在航空发动机高温部件制造领域，Ti-Al系金属间化合物因其优异的比强度和高温稳定性备受青睐。其中Ti-48Al-2Cr-2Nb（Ti4822）和Ti-22Al-25Nb（Ti₂AlNb）这对"黄金组合"各具特色：前者以γ-TiAl和α₂-Ti₃Al相构成的显微结构赋予其900°C下的卓越强度，但室温脆性大；后者凭借B2相基体展现出更好的塑性，然而高Nb含量带来的密度增加制约了推重比提升。将两者通过异质连接实现性能互补，成为突破单一材料性能瓶颈的关键策略。

传统钎焊技术面临严峻挑战——Ti-Al合金高Al含量易促使脆性α₂-Ti₃Al相大量析出，而(Ti,Zr)(Ni,Cu)₃等金属间化合物的形成更会加剧接头脆化。更棘手的是，异质材料间热膨胀系数差异导致的残余应力，会使接头在发动机启停的快速热循环中发生分层失效。现有含Nb钎料虽能改善性能，但1100°C以上的液相线温度可能损伤Ti₂AlNb中关键的O-Ti₂AlNb强化相。

针对这些技术瓶颈，广州-香港科技大学联合研究院的研究团队创新性地采用机械混粉工艺，将高纯度Nb颗粒引入Ti_57.5Zr_12.5Cu₁₅Ni₁₅非晶钎料基体，开发出系列复合钎料。通过扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和电子背散射衍射(EBSD)等多尺度表征手段，结合纳米压痕力学测试和室温拉伸实验，系统揭示了Nb添加对界面反应动力学和组织性能的调控机制。

材料与实验方法
研究选用Ti4822和Ti₂AlNb作为基体材料，通过高能球磨制备含0-10 wt.% Nb的复合钎料。钎焊实验在980°C/60min参数下进行，采用氩气保护。通过接触角测试评估钎料润湿性，利用EBSD分析相分布，纳米压痕技术定量表征各相硬度，结合热循环实验评价接头抗热震性能。

钎料润湿性
随着Nb含量增加，未熔Nb颗粒降低钎料流动性，使接触角从15°增大至38°，但所有配比均保持良好铺展性。

微观组织演变
接头典型结构包含α₂-Ti₃Al、(Ti,Zr)(Ni,Cu)₃和B2三相。Nb添加产生两大效应：未熔Nb颗粒增加固/液界面数量，加速等温凝固进程；溶解的Nb元素稳定B2相，使(Ti,Zr)(Ni,Cu)₃相体积分数从21.7%降至9.3%。

力学性能突破
7.5 wt.% Nb钎料获得的接头展现最优综合性能：拉伸强度达410.85±43.32 MPa，断口呈现韧窝与解理混合形貌。经50次室温-800°C热循环后强度无衰减，显著优于传统钎料接头。

这项发表于《Materials Science and Engineering: B》的研究，通过创新的"固/液界面调控"策略，首次阐明Nb颗粒在钎焊过程中的双重作用机制。未熔颗粒促进MPD元素均匀扩散，溶解Nb则通过β-Ti稳定化效应改善接头塑性。该技术为航空发动机高温部件的可靠性设计提供了重要理论支撑，其"低温连接-高温服役"的特性尤其适用于新一代变循环发动机的热端部件制造。特别值得注意的是，研究中建立的Nb含量-组织性能定量关系，为其他难焊金属间化合物的连接工艺开发提供了普适性指导。