扩散键合（TiB? + La?O?）/IMI834钛基复合材料接头的微观结构演变与损伤起始过程

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructural evolution and damage initiation in diffusion-bonded (TiB+La 2O 3)/IMI834 titanium matrix composite joints

　　**摘要**
为了满足对高质量连接复杂近α高温钛基复合材料部件的需求，本研究在不同条件下对原位合成的(TiB + La?O?)/IMI834复合材料进行了扩散焊接。研究了焊接参数对界面愈合、微观结构演化、剪切性能和损伤起始的影响。在900°C/10 MPa/60分钟的条件下，仍存在残余界面，剪切强度仅为590.2 ± 5 MPa。在1000°C/15 MPa/60分钟的条件下，界面几乎消失，焊接区域显示出连续的微观结构和均匀的元素分布，剪切强度达到701.5 ± 4 MPa，约为基材强度的99.8%。在1050°C/10 MPa/60分钟的条件下，尽管界面愈合充分，但在保温过程中的α→β转变和冷却过程中的β→α转变产生了粗糙的层状/针状微观结构，剪切强度降至668.2 ± 5 MPa。对1000°C下焊接接头的断裂分析显示有凹痕、撕裂棱和TiB拔出现象，表明有效的塑性能量耗散。准原位剪切测试进一步表明，沿TiB方向的KAM随剪切应变增加而增加，并且高于远场区域，表明TiB附近存在优先的应变累积。这些结果表明，接头性能受界面愈合和微观结构稳定性之间的平衡控制，而局部损伤起始则由TiB附近的约束、晶界阻碍以及滑移适应不足引起。

**引言**
在各种钛合金中，近α高温钛合金（如IMI834）由于其优异的高温强度保持性和抗蠕变性，被广泛认为是航空发动机 compressor 盘片、叶片和其他高温承力部件的重要候选材料[1,2]。然而，在更苛刻的服务条件下，这些高温钛合金仍然存在局部载荷传递能力不足和抗应变局部化能力有限的问题。钛基复合材料（TMCs）通过引入具有高刚度和优异热稳定性的陶瓷增强体（包括连续的SiC纤维和不连续的增强体如TiB、TiC和稀土氧化物）到钛合金基体中，提供了一种有效的解决方法[[3], [4], [5], [6]]。根据增强体的形态，TMCs可以大致分为连续增强型和不连续增强型。连续SiC纤维增强钛基复合材料[7,8]（SiCf/Ti）结合了SiC纤维的高比强度、刚度、抗蠕变性和抗疲劳性，并已开发用于航空结构部件，如compressor环或叶片、盘片、轴和板结构。与这些连续纤维增强型相比，本研究关注的是一种原位合成的不连续增强型钛基复合材料，其中TiB whiskers与钛基体具有良好的热力学兼容性和界面结合，可以通过载荷传递、位错运动阻碍和微观界面固定显著提高强度和微观结构稳定性[[9], [10], [11]]。分散的La?O?颗粒主要通过分散强化和局部微观结构稳定化发挥作用[12,13]。
对于航空航天器中的薄壁、空心、多层和夹层集成结构（如空心叶片、轻质加固面板、蜂窝承力部件和多层承力壳体[14]），传统的熔焊常常会导致局部熔化、氧化污染、残余应力积累和尺寸变形。对于含有增强体的TMCs[[15], [16], [17]]，还可能造成增强体损伤或界面脱粘。相比之下，扩散焊接（DB）作为一种固态连接技术，可以通过界面凸起塌陷、空洞闭合、原子扩散和晶界迁移实现冶金结合，同时有效减少宏观变形并保持尺寸精度[14,[18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]]。因此，它被认为是制造和连接薄壁空心钛基航空航天结构部件的重要方法。
近年来，在钛及钛基复合材料的扩散焊接方面取得了显著进展。Li等人[20]系统回顾了钛合金扩散焊接的过程理论、孔闭合标准、原子扩散、微观结构演化和接头性能，并指出界面闭合、元素扩散和晶界迁移是实现高质量冶金结合的关键过程。Yakushina等人[26]研究了Ti-6Al-4V合金的初始微观结构对扩散焊接接头性能的影响，发现基材的初始微观结构显著影响接头的界面结合质量和机械性能。这表明扩散焊接不仅受工艺参数控制，还与焊接区域的微观结构稳定性密切相关。对于TiB增强的钛基复合材料，Xu等人[27]研究了TiBw/TA15复合材料的电辅助扩散焊接。他们的结果表明，电辅助效应可以促进界面结合并提高接头强度，同时TiB增强体改变了界面孔闭合行为和剪切断裂特性，最大剪切强度达到785 MPa。Wang等人[28]研究了TiBw/Ti65复合材料在真空固态扩散焊接过程中的微观结构和性能演变，发现工艺参数不足会导致界面愈合不完全，而过高的热输入会导致微观结构粗化。因此，接头质量由界面愈合和微观结构稳定性共同控制。此外，Han等人在他们的超塑性成形/扩散焊接（SPF/DB）研究中证明，扩散焊接适用于制造用于航空航天应用的薄壁、空心和多层集成钛合金部件。总体而言，现有研究证实了扩散焊接是实现钛合金和钛基复合材料高质量连接的重要方法。然而，对于(TiB + La?O?)/IMI834复合接头，界面愈合、焊接区域微观结构稳定性与随后局部损伤起始之间的关系尚不明确。
大多数关于钛基复合材料接头的研究集中在界面结合状态和最终接头强度上，而焊接区域界面愈合与微观结构稳定性之间的竞争关系尚未完全阐明。对于近α高温钛合金基体，提高焊接温度可以促进界面闭合和原子扩散；然而，当温度接近或超过β转变温度（Tβ）时，可能会发生微观结构粗化和转变，从而减弱接头的变形适应性。因此，接头质量并非随着焊接温度的升高而单调提高，而是取决于充分界面愈合与保持微观结构稳定性之间的平衡。此外，随后加载过程中的局部变形、应变集中和裂纹起始机制也尚未充分阐明。特别是α-Ti基体和TiB whiskers在接头损伤演变中的协同作用仍不清楚。
基于这些考虑，本研究研究了原位合成的(TiB + La?O?)/IMI834复合材料。通过选择性调整扩散焊接过程中的焊接温度和压力，系统研究了不同温度-压力条件下接头的界面愈合行为和微观结构演化。采用多种表征技术系统分析了微观结构演化、局部微观特征和接头区域宏观机械响应之间的关系。此外，结合准原位剪切变形和局部微观结构表征，连续跟踪了不同应变水平下同一区域的局部变形演化和损伤起始行为，旨在揭示局部应变集中和裂纹起始的微观结构机理。本研究旨在明确扩散焊接条件对(TiB + La?O?)/IMI834接头中界面愈合与微观结构稳定性平衡的调控机制，并为薄壁空心近α高温钛基复合材料部件的连接设计和应用提供理论基础。

**材料制备**
本研究使用的材料是一种原位合成的(TiB + La?O?)/IMI834复合材料[[30], [31], [32], [33]]，其中近α IMI834作为基体合金。使用的IMI834合金的名义组成为Ti-6.0Al-3.6Sn-4.1Zr-1.0Nb-0.2Mo-0.34Si（重量百分比，Ti平衡）。按照设计成分称取海绵钛、纯Al、海绵Zr、AlMo60、AlNb50、TiSn65、Elemental Si和LaB6粉末，充分混合后冷压制成可消耗电极。

**接头微观结构**
在不同扩散焊接条件下，(TiB + La?O?)/IMI834复合材料的接头区域微观结构存在明显差异。如图2(a–d)所示，在900°C/10 MPa/60分钟的条件下，接头中心仍可见相对连续的原始结合界面，界面附近的微观结构连续性较差。在该温度下，位于α+β两相区域的低温侧，α-Ti基体通常...

**扩散焊接参数对界面愈合和微观结构演化的影响**
扩散焊接接头的质量由界面愈合和焊接区域的微观结构稳定性共同控制。提高焊接温度[40]和压力有利于表面凸起的塌陷[41]、界面空洞的闭合[42]、表面氧化膜的破坏以及界面处的原子扩散，从而促进原始结合界面的消除。然而，对于IMI834近α高温钛合金...

**结论**
本研究调查了一种原位合成的(TiB + La?O?)/IMI834复合材料。系统研究了扩散焊接参数对界面愈合、微观结构演化、剪切性能和接头断裂行为的影响。此外，还进行了准原位剪切EBSD表征，以揭示最佳焊接接头在加载过程中的局部变形和损伤起始机制。主要结论如下：
(1)扩散焊接CRedI

**作者贡献声明**
刘巧明：写作 – 原稿撰写、方法论设计、调查、形式分析、概念化。
李九晓：写作 – 审稿与编辑、监督、资源协调、数据管理。
韩远飞：方法论设计、调查。
李冲贵：可视化处理、调查。
王宇琦：方法论设计、数据管理。
濮秉珍：可视化处理、调查。
阮成志：调查。
刘玉盖：可视化处理。
郑兴伟：调查。
彭静：监督。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了上海工程材料应用与评价重点实验室开放项目（项目编号SRIM-KFKT25-03）、福建省农业机械智能控制与制造重点实验室开放项目（项目编号AMICM202503）、人工智能促进科学研究范式改革与学科跨越计划项目（项目编号2024AI006）以及上海市自然科学基金的支持。

**作者名单**
刘巧明|李九晓|韩远飞|李冲贵|王宇琦|濮秉珍|阮成志|刘玉盖|郑兴伟|彭静
上海工程技术大学材料工程学院，中国上海201620