通过活性单向铸造技术，将SiC f/SiC复合材料原位结合到单晶CMSX-6超级合金上

《Journal of Materials Research and Technology》：In-situ joining of SiC f/SiC composites to single-crystal CMSX-6 superalloy via active unidirectional casting technology

SiC_f/SiC复合材料与CMSX-6单晶超合金通过主动单向铸造技术实现无缺陷连接，反应层包含Ni基固溶体及TiC、Cr_3C_2、Ni_31Si_12相，其晶体取向与基体接近[101]方向，界面剪切强度达25MPa，显著高于基体材料的层间结合强度。

　　本文聚焦于一种新型的活性单向铸造技术在硅碳纤维增强硅碳复合材料（SiC_f/SiC）与镍基单晶（SC）CMSX-6超合金连接中的应用，旨在解决这类材料在制造过程中的难题，并拓展其在工业领域的应用前景。SiC_f/SiC复合材料因其低密度和卓越的热机械性能，在航空航天工业中被视为制造高温结构部件的理想材料。然而，其制造工艺复杂，导致实际应用受限。为克服这一问题，研究者们尝试将SiC_f/SiC与金属材料结合，形成混合复合材料，从而在保持陶瓷材料优势的同时，提升其在高温环境下的性能和可靠性。

镍基单晶超合金因其在高温条件下的优异性能，被广泛用于制造航空发动机和工业燃气轮机的高温部件。然而，SiC_f/SiC复合材料与这类金属材料之间的连接一直是材料工程中的挑战。传统的连接方式如焊接或钎焊在高温环境下往往难以维持材料的性能，且容易引入缺陷，影响整体结构的稳定性。因此，研究者们开发了一种新的连接方法，即活性单向铸造技术（AUNC），以实现SiC_f/SiC与SC CMSX-6超合金的原位连接。该技术通过优化材料选择和加工参数，成功实现了连接界面的无缺陷制造，并显著提升了连接强度。

研究团队采用了一种2D SiC_f/SiC复合材料，并在其表面沉积了一层纯镍作为活性层。这一层不仅增强了SiC_f/SiC与熔融CMSX-6之间的润湿性，还作为应力释放层，有效缓解了连接过程中可能产生的残余热应力。随后，通过单向凝固技术与晶粒选择技术，将熔融的CMSX-6超合金引入SiC_f/SiC复合材料中，实现了材料的原位连接。整个过程在真空条件下进行，以确保材料的纯净度和连接质量。凝固过程中，模具的加热和浇注温度均控制在1500°C，以促进材料的均匀分布和界面形成。

实验结果表明，连接后的界面呈现出良好的微观结构和元素分布。通过扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）技术，研究人员发现CMSX-6部分保持了单晶结构，其最大晶向偏转约为8.34°，接近理想[001]方向。此外，反应层中形成了以镍基固溶体为基体的复合结构，包含TiC、Cr₃C₂和Ni₃₁Si₁₂等相。这些相的分布受到元素扩散的显著影响，形成了由晶向分布和元素富集带组成的复合界面。其中，Cr₃C₂和TiC相主要分布在反应层的底部，而Ni₃₁Si₁₂则位于上部，靠近SiC_f/SiC复合材料。这些相的形成过程涉及多种化学反应，包括Ti与C的反应生成TiC、Cr与C的反应生成Cr₃C₂，以及Ni与Si的反应生成Ni₃₁Si₁₂。这些反应在热力学上具有较高的可行性，为连接界面的稳定性和性能提供了保障。

连接后的界面表现出优异的高温剪切性能。在800°C条件下，连接界面的剪切强度达到了约25 MPa，超过了SiC_f/SiC复合材料的层间结合强度（约20 MPa）。这一性能的提升归因于两种协同作用机制：一是熔融CMSX-6在SiC_f/SiC复合材料中的毛细作用渗透，形成了机械互锁结构，从而增强了界面的结合力；二是反应层中形成的梯度界面有效缓解了残余热应力，进一步提升了连接的整体性能。这些机制共同作用，使得连接后的SiC_f/SiC/SC CMSX-6组件在高温环境下仍能保持较高的强度和稳定性。

为了进一步理解连接界面的应力释放机制，研究团队使用ProCAST软件对连接后的残余应力分布进行了模拟分析。模拟结果显示，连接区域的残余应力整体较低，最高应力值约为271 MPa，位于SiC_f/SiC复合材料靠近反应层的区域。这一数值低于传统钎焊方式下SiC_f/SiC与GH535镍基超合金连接所记录的301 MPa。较低的残余应力不仅有助于减少连接界面的裂纹风险，还确保了材料在长期使用中的可靠性。此外，活性单向铸造技术的底部至顶部渐进凝固过程也有效释放了连接过程中产生的应力，从而实现了优异的剪切性能。

连接界面的微观结构和元素分布对于理解其性能至关重要。研究发现，反应层中的元素迁移和相形成是连接过程中的关键环节。Si、Cr、C和Ti等元素在连接过程中从SiC_f/SiC复合材料和SC CMSX-6超合金之间迁移，最终在反应层中形成特定的相分布。例如，Cr和C的相互作用在反应层的底部形成了Cr₃C₂相，而Ti与C的反应则在界面附近形成了TiC相。这些相的形成不仅影响了连接界面的结构，还对连接强度和热稳定性产生了深远影响。此外，Ni元素在反应层中的富集表明，Ni固溶体作为基体材料在连接过程中起到了关键作用。

在连接界面的微观结构中，还观察到了Ni₃₁Si₁₂相的形成，其在上部区域较为明显。该相的晶格参数为a=6.667 ?，b=6.667 ?，c=12.277 ?，呈现出六方晶系结构。Ni₃₁Si₁₂相的形成与Ni和Si之间的反应密切相关，其在连接过程中不仅作为强化相，还对残余应力的分布起到了调节作用。此外，Ni₃₁Si₁₂相的晶向分布与Ni固溶体基体相似，表明其在连接界面中的结构稳定性。

研究还探讨了连接界面的热膨胀系数（CTE）对残余应力的影响。通过规则混合法计算，反应层的平均CTE约为9.87×10^-6 K^-1，介于SC CMSX-6超合金（12.0×10^-6 K^-1）和SiC_f/SiC复合材料（4.4×10^-6 K^-1）之间。这种CTE的过渡有助于减少连接区域的热应力，从而提高连接的整体性能。此外，连接界面的弹性模量和泊松比也被计算得出，分别为269 GPa和0.28，进一步验证了反应层在连接过程中的力学特性。

在实验过程中，研究团队还通过3D X射线显微镜对连接界面的微观结构进行了详细分析。图像显示，连接界面呈现出波浪形的微观结构，表明熔融材料在复合材料中的渗透形成了紧密的结合。同时，连接界面的元素分布也显示出显著的梯度特征，其中C、Si、Ni、Ta、Ti、Cr、Al、Mo和Hf等元素在不同区域的浓度变化反映了其在连接过程中的迁移路径和反应机制。这些元素的分布不仅影响了连接界面的结构，还对连接强度和热稳定性产生了重要影响。

通过实验和模拟的结合，研究团队成功揭示了活性单向铸造技术在连接SiC_f/SiC复合材料与SC CMSX-6超合金中的作用机制。该技术不仅能够实现无缺陷的连接，还能有效缓解残余热应力，提高连接强度。此外，连接界面的微观结构和元素分布表明，不同相的形成与元素扩散密切相关，这些相在连接过程中起到了重要的强化和稳定作用。

本研究的成果为高性能混合复合材料的制造提供了新的思路。通过原位连接技术，SiC_f/SiC复合材料与SC CMSX-6超合金之间的结合不仅在微观结构上得到了优化，还在宏观性能上表现出优异的高温剪切强度。这一技术的应用有望推动SiC_f/SiC复合材料在高温结构部件中的广泛应用，特别是在航天器喷嘴、姿态控制系统、轨道控制推进器和混合涡轮叶片等关键部件中。此外，该研究也为未来材料连接技术的发展提供了理论支持和实践指导，为其他陶瓷-金属连接问题提供了可借鉴的解决方案。

综上所述，活性单向铸造技术在连接SiC_f/SiC复合材料与SC CMSX-6超合金方面展现出显著的优势。通过优化材料选择和加工参数，研究团队成功实现了无缺陷的连接，并显著提升了连接强度和热稳定性。连接界面的微观结构和元素分布表明，不同相的形成与元素扩散密切相关，而这些相在连接过程中起到了重要的强化和稳定作用。此外，连接界面的CTE过渡和渐进凝固过程有效缓解了残余热应力，为连接区域的长期可靠性提供了保障。本研究不仅为高性能混合复合材料的制造提供了新的方法，也为未来材料连接技术的发展提供了重要的理论支持和实践指导。