TC4与TiBw/TC4异种材料扩散连接过程中的界面演化机制及力学性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Interface evolution mechanisms and mechanical properties during diffusion bonding of TC4 and TiB w/TC4 dissimilar materials

　　

为应对钛合金与钛基复合材料低压异种连接中的界面调控问题，研究人员在930?°C、10?MPa低压条件下对TC4合金与TiB_w/TC4复合材料进行了扩散连接实验，系统研究了保温时间对界面微观结构演化及力学性能的影响。结果表明，在低连接压力下，界面结合从初始物理接触阶段逐步演变为以原子扩散和空洞愈合为主导的阶段。随着保温时间延长，界面空洞逐渐收缩并最终消失；同时，Al、V等元素跨界面扩散并发生选择性再分配。该过程促进了β→α_s相变，使界面两侧的α相与β_t微观结构逐渐相连，改善了微观结构连续性。在长时间保温过程中，周围基体的蠕变变形导致部分界面TiB_w部分嵌入对面TC4基体，提高了局部界面稳定性与载荷传递能力。界面剪切强度在保温70?min后增至708?MPa，接近TC4合金的平均剪切强度；断裂机制从界面空洞主导的快速脆性扩展转变为TiB_w增强体诱导的裂纹偏转。

**论文解读：TC4/TiB_w/TC4异种材料扩散连接界面演化与力学性能研究**

**研究背景与问题**
钛合金（如TC4）因其高比强度、优异耐腐蚀性和高温力学性能，在航空航天、海洋工程及军事装备领域广泛应用。然而，随着服役条件日益苛刻，传统钛合金在耐磨性、高温稳定性和抗蠕变性能方面面临局限。为突破这些限制，研究人员通过引入高强度、高模量的增强体（如TiB_w、TiC_p）制备钛基复合材料（Titanium Matrix Composites, TMCs）。为充分发挥钛合金与复合材料的协同优势，常需将异种部件进行连接，例如飞机涡轮盘与叶片等复杂结构件。但复杂几何形状或大尺寸构件难以整体成型，因此连接技术成为关键。现有熔焊方法（如激光焊、电子束焊）虽效率高，但熔池凝固、共晶组织形成及有害气体侵入易恶化接头性能；而扩散连接通过原子扩散实现冶金结合，不引入额外元素，避免基体熔化导致的性能下降，是制造复杂钛合金结构件的理想方案。

目前，扩散连接研究多集中于同种材料，对TC4合金与TiB_w/TC4复合材料异种连接的研究不足。已有工作多采用较高压力（>100?MPa），导致宏观塑性变形，不适合对形状尺寸精度要求高的构件。此外，增强体（如TiB_w）在扩散连接过程中对界面空洞愈合、元素扩散及力学响应的影响机制尚不清晰。因此，研究人员在低压条件下系统研究了保温时间对TC4/TiB_w/TC4扩散连接界面微观结构演化及力学性能的影响，旨在阐明低压异种扩散连接行为，为高性能钛合金构件开发提供理论依据。该论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

**主要技术方法**
研究人员采用真空扩散连接（真空度6×10^-3?torr），在Gleeble?3500热模拟试验机上于930?°C、10?MPa压力下进行连接，保温时间分别为10、30、50和70?min。利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）配备能谱分析（EDS）与电子背散射衍射（EBSD，步长0.08?μm）表征界面微观结构；采用电子探针显微分析（EPMA）分析界面附近元素分布；通过剪切测试（加载速率0.1?mm/min）评价接头力学性能，每个条件测试5个试样。TiB_w/TC4复合材料由TC4粉末与TiB₂粉末（体积比94:6）经低能球磨、热压烧结（1200?°C、30?MPa、1?h）制备，TC4合金采用相同工艺制备。

**研究结果**

**3.1 初始微观结构与表面粗糙度**
热压TC4合金呈现典型魏氏组织（Widmanst?tten structure），层状α相与层间β相交替分布形成α集束（α colonies），原始β晶界被晶界α相取代。TiB_w/TC4复合材料中，TiB晶须沿TC4粉末颗粒边界优先分布，形成网络状架构，网络直径约100?μm，与TC4颗粒尺寸相当；TiB_w网络有效抑制了原始β晶粒长大，且抑制了平行α集束的生长，形成近等轴或短层状微观结构。研磨后，两种材料表面粗糙度均较低，但TiB_w/TC4的研磨脊线沿TiB_w网络分布。

**3.2 界面微观结构随保温时间演化**
保温10?min时，界面平坦，存在大量未愈合空洞，部分空洞连续形成未结合区域；TiB_w与对面基体间空洞更多；TiB_w/TC4侧析出大量次生α相（α_s），而TC4侧α_s较少。保温30?min后，连续空洞消失，分散空洞尺寸显著减小，仅TiB_w附近存在较大空洞。保温50?min时，空洞几乎不可分辨，TC4侧形成大量α_s，α相粗化，界面出现孤立α相延伸至对面。保温70?min后，界面曲折度增加，两侧微观结构差异减小，α相与β_t组织跨界面连续，表明冶金结合形成。空洞尺寸统计显示，最大空洞尺寸从10?min的>900?nm降至70?min的<500?nm，平均尺寸从30?min的238?nm降至70?min的132?nm，<100?nm的空洞比例从16%增至52%。

**3.3 EBSD分析：取向与应变**
反极图（IPF）与晶粒取向分布（GOS）图显示，保温10?min时，界面呈锯齿状，两侧晶粒互锁；TC4侧α集束取向相似，TiB_w/TC4侧α相取向差异更大；α_s在TiB_w/TC4侧显著多于TC4侧。保温30~50?min后，界面轻微塑性变形，晶界凸起形成嵌入晶粒，α_s分数和尺寸增加，新形成的α_s跨界面连续分布。保温70?min后，部分原始界面以高角度晶界形式保留，但原子扩散已实现连接。α_s取向多样且晶粒细小，降低了与原始界面的取向对比，改善了微观结构均匀性。核平均取向差（KAM）图表明，保温10?min时形变集中于界面接触点；30~50?min时形变向界面两侧扩展，促进蠕变与空洞收缩；70?min时出现明显应变梯度，为空洞闭合与元素扩散提供驱动力。

**3.4 剪切强度与断裂形貌**
平均剪切强度随保温时间持续增加：10?min时为424?±35?MPa，30?min时为604?±23?MPa，50?min时为635?±21?MPa，70?min时达708?±22?MPa，接近TC4合金的平均剪切强度（约748?MPa）。断裂形貌显示，10?min时断口存在平坦小面（flat facets）和颗粒拔出（particle pull-out），平坦小面分布于上下侧，与TiB_w网络分布一致；颗粒拔出区域位于中心，颗粒尺寸约100?μm对应TiB_w网络直径，可见TiB_w断裂与拔出。30?min时连续平坦小面消失，仅残留少量不规则光滑小面。50、70?min时平坦小面完全消失，断口仅呈现颗粒拔出特征。

**讨论与结论**

**讨论部分**
研究人员将界面愈合行为总结为原子扩散主导、TiB_w增强体辅助的协同机制。在930?°C、10?MPa下，初始粗糙表面通过局部塑性变形增加实际接触面积，形成扁平椭圆形空洞。随后，宏观塑性变形停止，剩余空洞愈合由表面源机制控制的原子扩散主导，空洞持续收缩直至消失。扩散系数由温度决定，而保温时间延长使扩散长度增加（70?min时约为10?min的2.65倍），为空洞收缩、Al/V再分配及原始成分边界弱化提供动力学基础。EPMA分析显示，保温10?min时界面存在成分耗尽边界和明显空洞；30?min后边界变模糊；50、70?min时Al和V不再显示明显界面不连续，其波动主要与α/β_t微观结构相关（Al偏聚于α相，V富集于β_t区域）。Al/V再分配与β→α_s相变紧密耦合：α稳定元素Al进入α相，β稳定元素V被排斥至β_t，这种溶质分配随保温时间增加而跨界面连续，增强了微观结构连续性。TiB_w中B在Ti基体中溶解度极低，不参与长程扩散，但部分界面TiB_w因基体蠕变变形和空洞收缩而部分嵌入对面TC4基体，产生局部机械约束，改善载荷传递。TiB_w还通过局部应力集中影响应变场，但低压下塑性变形有限，未触发明显动态再结晶，原始界面以高角度晶界部分保留。然而，空洞愈合、Al/V再分配及α_s/β_t连续性使界面从缺陷物理边界转变为结合良好的结晶学边界，解释为何无需动态再结晶即可获得高结合强度。界面愈合示意图概括了三个阶段：初始接触→原子扩散与空洞愈合→TiB_w部分嵌入与局部约束。

关于剪切强度，在无界面氧化物和反应产物的真空条件下，直接金属接触促进扩散效率。随着保温时间延长，空洞愈合增强，α_s形成改善微观结构一致性，TiB_w嵌入提供额外载荷传递路径。强度增加本质上是控制失效机制的转变：短保温时，界面空洞和连续未结合区作为裂纹优先萌生和快速扩展路径（平坦小面），导致低强度；长保温时，空洞减少，原始弱界面被元素再分配和α_s/β_t连续性打断，裂纹转向TiB_w网络或TiB_w/基体界面（颗粒拔出），使断裂模式变为TiB_w增强体主导的裂纹偏转。

**结论翻译**
本研究系统探究了不同保温时间下扩散连接TC4与TiB_w/TC4异种材料的界面微观结构演化及力学性能，进一步阐明了低压条件下的界面愈合行为及其对接头性能的影响。主要结论如下：
（1）扩散连接界面经历了从初始接触到扩散主导的空洞愈合过程。随保温时间延长，界面空洞从大尺寸连续缺陷逐渐演变为细小分散空洞，并最终趋于消失。在本研究有限变形条件下，未发生明显动态再结晶，原始界面部分以高角度晶界保留；通过空洞愈合、元素再分配和微观结构连续性，界面从缺陷物理边界转变为结合良好的结晶学边界。
（2）延长保温时间促进Al和V的跨界面互扩散与再分配，诱导β→α_s相变。α相与β_t组织跨界面连续，实现形态连续性与成分过渡。周围基体蠕变变形导致部分界面TiB_w部分嵌入对面TC4基体，产生局部机械约束，提高界面稳定性与载荷传递能力。
（3）在10?MPa压力下实现了TiB_w/TC4与TC4的有效连接。界面剪切强度随保温时间持续增加，保温70?min后接近TC4合金强度。强化机制源于从含空洞的弱界面演变为具有化学和微观结构连续性的结合区域，以及TiB_w增强体与基体间的有效载荷传递。剪切断裂模式逐渐从界面空洞控制的裂纹扩展转变为TiB_w增强体主导的裂纹偏转。