Ti/Ni共晶成分多层箔塑性变形对Ti6Al4V合金真空扩散连接接头形成的影响机制研究

为解决航空航天领域薄壁钛合金结构件连接中高温高压导致的性能下降问题，研究人员通过Ti/Ni共晶成分多层箔(MF)的塑性变形调控，在800°C/70kPa条件下实现异相多孔结构形成，最终在920-950°C真空扩散连接(DB)中获得抗拉强度达874MPa的接头，为低温低压连接技术提供新思路。

　　

在航空航天领域，钛合金薄壁构件的连接一直面临严峻挑战。传统熔焊方法如电弧焊、电子束焊等虽然广泛应用，但高温过程会导致Ti6Al4V合金晶粒粗化、形成脆性金属间化合物，最终使接头强度显著降低。更棘手的是，现有扩散连接技术虽能减少热影响，却需要施加10MPa以上的高压，这对于精密薄壁结构而言极易造成变形。如何实现"低温低压"的高强度连接，成为制约航空航天轻量化设计的关键瓶颈。

针对这一难题，来自乌克兰国家科学院的研究团队在《Vacuum》发表创新研究。他们独辟蹊径地采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备Ti/Ni共晶成分多层箔(MF)，通过精确调控其塑性变形行为，在仅70kPa的极低压力下实现了Ti6Al4V合金的高质量连接。这项研究最引人注目的突破在于：当温度升至800°C时，MF内部会发生剧烈的固相金属间化合物合成反应，伴随放热效应形成多孔异相结构，这种特殊结构使得材料在低温下就表现出超常的塑性流动特性。

研究团队运用三大关键技术：通过EB-PVD制备500nm双层厚度的Ti/Ni交替MF；采用差示扫描量热法(DSC)分析相变过程；结合X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征微观结构演变。这些方法系统揭示了MF在加热过程中的"自活化"机制——当温度达到共晶点时，Ti/Ni层间扩散会自发形成纳米级孔隙，这些孔隙如同微型"润滑剂"般促进了材料的塑性流动。

【Materials and experimental procedure】部分显示，研究人员在10^-3 Pa超高真空环境下，以2min^-1的基体转速制备出35μm厚MF。这种特殊工艺确保了Ti/Ni层间界面的原子级洁净，为后续扩散反应创造了理想条件。

【Structure evolution of MF Ti/Ni at heating】章节的发现令人振奋：初始态MF中Ti/Ni层呈现清晰界面（TEM中Ti层显暗、Ni层显亮），但在加热至800°C后，衍射图谱突然出现TiNi₃和Ti₂Ni等金属间化合物峰。更关键的是，DSC曲线在600-800°C区间出现显著放热峰，对应着约150J/g的反应热，这种原位放热效应导致局部温度骤升，进一步加速了扩散过程。

【Conclusions】部分指出，最佳连接参数为950°C/70kPa，此时接头区形成镍含量<4at%的弥散共析组织。这种微观结构的精妙之处在于：既保留了足够塑性又避免了脆性相聚集，使接头抗拉强度达到基体材料的90%以上。断裂分析显示，裂纹优先沿残余孔隙扩展，但通过优化工艺可将孔隙率控制在3%以下。

这项研究的科学价值在于揭示了"塑性变形-相变-扩散"的协同机制：MF的共晶成分设计使其在加热时自发形成多孔结构，这种结构既降低了流变应力，又增大了扩散接触面积；工程意义则是开发出仅需传统方法1/200压力的连接工艺，为航天器燃料贮箱等薄壁构件制造提供了革新性解决方案。正如研究者Sergiy Demchenkov在讨论部分强调的，该方法可推广至其他难焊合金体系，只需调整MF的共晶成分即可实现类似的低温活化效果。