原位反应复合Ni62Ti38+C中间层连接Cf/C与GH3044合金：界面调控与力学性能强化机制研究

为解决Cf/C复合材料与GH3044高温合金连接中存在的高残余应力和耐热性不足的问题，本研究创新性地采用Ni62Ti38+C复合钎料，通过原位反应生成(Ti,W)C@TiC增强相和Niss基复合连接层，实现了低熔点连接与高耐热服役的统一。最优条件下接头室温剪切强度达32.1 MPa，较无碳接头提升2.7倍，为航空航天热端部件连接提供了新策略。

　　

碳纤维增强碳基复合材料（C_f/C）因其低密度、优异耐热性和抗热震性能，成为制造火箭发动机喷管、高超音速飞行器热防护系统的理想材料。然而，在实际应用中，如何实现C_f/C与镍基高温合金（如GH3044）的高可靠性连接始终面临两大挑战：一是两者热膨胀系数（CTE）差异巨大（C_f/C约为1.2×10^-6/K，GH3044约为16.28×10^-6/K），连接过程会产生高残余热应力，导致接头强度下降甚至开裂；二是传统钎料（如Ag-Cu-Ti、Ti-Zr-Cu-Ni等）熔点较低，使得接头耐热温度难以超过800°C，无法满足高温服役需求。虽然复合钎焊通过添加低CTE增强相（如SiC、石墨烯等）可缓解应力，但仍无法突破钎料本身耐温极限。

针对这一难题，研究人员在《Journal of Materials Research and Technology》发表论文，提出了一种创新的原位反应复合钎焊策略：采用低熔点Ni₆₂Ti₃₈（at.%）共晶合金粉与碳粉混合作为中间层，利用Ti与C的原位反应生成TiC增强相，同时消耗降熔元素Ti，使连接层基体转变为高耐热的Ni基固溶体，最终形成(Ti,W)C@TiC增强的Ni_ss基复合连接层，实现了“低温连接、高温服役”的目标。

本研究主要采用以下技术方法：以2.5D针刺C_f/C复合材料和GH3044高温合金为基体，通过真空钎焊在1300°C、5×10^-3 Pa条件下进行连接；采用Ni₆₂Ti₃₈+C复合钎料（碳添加量对应TiC体积分数为0-42%）；通过扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）、X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）表征微观结构；使用电子万能试验机测试室温剪切强度。

典型 microstructure of the C_f/C/(Ni₆₂Ti₃₈+C)/GH3044 joint

研究显示，采用28C含量钎料在1300°C保温15分钟可获得均匀致密的接头。连接层由Ni_ss基体和(Ti,W)C@TiC核心壳结构增强相组成。C_f/C侧界面依次形成三层结构：邻近复合材料的Ni_ss+C层（层Ⅰ）、Cr₃C₂层（层Ⅱ）和(Ti,W)C层（层Ⅲ）。低CTE的(Ti,W)C@TiC相有效降低了连接层整体CTE，缓解了残余应力。

The variation of joint microstructures with the C addition contents

随着碳添加量增加（0C→42C），连接层厚度从288μm增至630μm，C_f/C侧界面的Ni_ss+C层增厚，而Cr₃C₂和(Ti,W)C层减薄甚至消失。无碳时界面出现裂纹；适量碳（28C）添加可获得最优界面结构；过量碳（42C）会导致流动性和界面结合恶化。

The evolution of joint microstructures with the holding time

保温时间延长（5-20分钟）使连接层略微增厚，促进C颗粒与Ti、W的充分反应，残余碳减少，(Ti,W)C壳层增厚。15分钟以上保温可确保Ti完全转化为TiC，显著缩短了传统TLP/PTLP工艺所需的数小时均质化时间。

Formation mechanism of the C_f/C-GH3044 reactive composite brazing joint

连接过程分为四个阶段：固态扩散阶段（室温至钎料熔点）、低熔点组分熔化浸润阶段（1104°C至钎焊温度）、原位反应与等温凝固阶段（1300°C保温）、接头冷却阶段。关键机制包括：Ti与C反应生成TiC，W扩散形成(Ti,W)C壳层，Cr形成Cr₃C₂，冷却过程中C和Cr₃C₂析出形成最终界面结构。

heat-resistance of the joints

理论计算表明，当碳添加量超过14C时，连接层基体固相线温度超过1440°C，较无碳情况提升40°C以上，显著高于原始钎料1120°C的熔点，实现了耐热性的本质提升。

Shear strengths and fracture paths of the joints

室温剪切强度随碳添加量增加呈先升后降趋势，28C时达到峰值32.1 MPa（为无碳接头的2.7倍）。无碳时断裂发生在脆性Cr₃C₂层；适量碳添加时断裂发生于Ni_ss+C层并延伸至C_f/C基体，伴随碳纤维拔出；过量碳添加时断裂面平坦且存在孔隙。

研究结论表明，通过Ni₆₂Ti₃₈+C原位反应复合钎焊，成功实现了C_f/C与GH3044的高质量连接。该工艺的核心优势在于：通过Ti/C反应生成低CTE增强相缓解热应力；通过消耗降熔元素Ti提高连接层耐热性；通过优化碳含量调控界面结构。最佳工艺参数（28C含量、1300°C、15分钟）下获得的接头兼具高强度（32.1 MPa）和高耐热性（＞1400°C），为航空航天领域高温部件的连接提供了可靠解决方案，突破了传统钎焊技术耐温性不足的瓶颈。该技术还可推广至其他陶瓷基复合材料与高温合金的连接，具有重要的工程应用价值。