镍钽合金钎焊(MoNbTaVW)C高熵碳化物的润湿行为与界面反应机制研究及其高性能连接应用

为解决高熵碳化物(HEC)陶瓷难以可靠连接的问题，研究人员开展Ni及NiTa合金钎焊(MoNbTaVW)C的研究。发现NiTa合金在1480°C可实现≤15°的优异润湿性，并形成TaCx界面层抑制过度溶解，获得高达220 MPa的剪切强度，为HEC陶瓷在极端环境下的工程应用提供了可靠连接方案。

　　

高熵碳化物(High-Entropy Carbides, HECs)作为新一代超高温陶瓷材料，因其独特的单相固溶体结构和卓越的力学性能，在航空航天、核反应堆和超高速飞行器等极端环境应用中展现出巨大潜力。然而，这类陶瓷固有的脆性和高硬度使得大型复杂构件的制造面临巨大挑战，如何实现HEC陶瓷的可靠连接成为制约其工程化应用的关键瓶颈。

传统钎焊技术虽能实现陶瓷连接，但常用的钎料往往会导致陶瓷过度溶解或界面反应失控。特别是对于(MoNbTaVW)C这类五元高熵碳化物，其与金属钎料的高温相互作用机制尚不明确，界面反应控制、热应力匹配和连接强度提升等系列难题亟待解决。本研究通过创新性地采用NiTa合金作为钎料，系统揭示了高熵碳化物与金属钎料的界面反应机理，为高性能HEC陶瓷连接提供了理论基础和技术方案。

研究人员采用CALPHAD（CALculation of PHAse Diagrams）热力学计算、座滴法润湿实验和无压场辅助烧结技术（FAST）等多种先进手段开展研究。通过计算C-Ni-M（M: Mo, Ta, W）三元体系相图，预测了1480°C下各体系的相平衡关系；利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和能谱分析（EDS）对界面微观结构和元素分布进行表征；采用纳米压痕技术和单搭接偏移剪切测试分别评估了界面力学性能和连接强度。

3.1. 热力学计算分析

通过Thermo-Calc?软件和GHEA数据库计算C-Ni-Ta、C-Ni-Mo和C-Ni-W三元体系在1480°C的等温截面图。结果显示Ni-Ta-C体系最具应用前景，其液相线接近Ni-Ta二元体系时，TaC溶解量显著减少，在等温截面中形成液相、TaC和石墨的三相平衡区。选择Ni₈₃Ta₁₇共晶成分（蓝色标记点）作为钎料候选材料，该成分可避免过度溶解并促进TaC_x界面层形成。

3.2. HEC基底和NiTa合金表征

成功制备出相对密度98%的单相(MoNbTaVW)C高熵碳化物，具有岩盐晶体结构。电弧熔炼的NiTa合金发生Liquid → fcc(Ni) + Ni₃Ta共晶反应，Ni₃Ta相呈片状形态析出。

3.3. 纯Ni在HEC上的润湿行为

纯Ni在1480°C下75秒内达到≤18°接触角，300秒后稳定在≤15°。界面出现70μm厚反应层，呈现典型的溶解性润湿特征。HEC元素大量溶解进入Ni中，形成星状分布的Ta、Nb富集相，同时石墨片层析出，证实了热力学计算的预测。

3.4. NiTa合金在HEC上的润湿行为

NiTa合金表现出与纯Ni相似的润湿动力学，最终接触角同样≤15°。但与纯Ni的凹形溶解界面不同，NiTa合金形成水平界面，溶解显著抑制。界面形成约50μm厚的反应层，EDS mapping显示Ta富集并形成近乎连续的TaC_x界面层，有效阻止了HEC的过度溶解。

3.5. NiTa钎焊HEC陶瓷

采用15°C/min的缓冷速率成功实现无裂纹连接，界面层厚度增至80μm。界面结构可分为三层：层I为15μm厚的TaC_x富集层（Ta含量68.1at.%）；层II为43μm厚的Ni渗透区（Ni含量79.7at.%）；层III为21μm厚的W-Mo富集针状相。TEM分析确认层I主要包含TaC相（d₁₁₁=0.2532-0.2586nm）和少量Ni₈Ta金属间化合物。

3.6. 钎焊机制

钎焊过程经历三个阶段：固态扩散阶段Ni置换HEC中的阳离子；熔化阶段Ni溶解HEC组分；平衡阶段Ta与碳反应形成TaC_x扩散屏障层。相分离导致Ta-Nb富集相向界面层迁移，而W-Mo-V富集相形成针状增强相。

3.7. 力学性能

纳米压痕测试显示界面区域硬度最高达24GPa，弹性模量311GPa，对应于TaC_x富集层。单搭接偏移剪切测试获得220±17MPa的高剪切强度，断裂发生在钎料层内，呈 cohesive fracture模式。针状增强相的垂直取向和CTE失配产生的压应力共同贡献了高强度。

本研究通过系统研究纯Ni和NiTa合金与(MoNbTaVW)C高熵碳化物的高温相互作用，成功开发出具有应用前景的钎焊连接技术。热力学计算指导的合金成分设计、界面反应控制和缓冷工艺优化，实现了溶解抑制和高强度连接的统一。形成的TaC_x界面层不仅作为扩散屏障，其高硬高模特性更增强了界面力学性能。针状增强相的定向分布和残余压应力的协同作用，使连接强度达到220MPa的国际先进水平。

这项研究不仅为高熵碳化物陶瓷的可靠连接提供了具体解决方案，更深化了对多组元陶瓷-金属界面反应机制的理解。所建立的成分设计原则和工艺控制方法可推广至其他高熵陶瓷体系，为极端环境用陶瓷基构件的制造奠定了技术基础，对推动高熵陶瓷在航空航天、核能等领域的实际应用具有重要意义。

论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》，展示了从基础研究到工程应用的完整创新链条，体现了多学科交叉融合在解决材料连接关键问题中的强大生命力。