通过 Al2O3 介导的原位反应实现 Y2O3-MgO 与 TC4 的钎焊：界面演变与强化机制

《Journal of Materials Science & Technology》：Brazing of Y 2O 3-MgO and TC4 via Al 2O 3-mediated in-situ reaction: Interfacial evolution and strengthening mechanism

　　

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  提出了一种通过 Al₂O₃ 介导的原位反应重建陶瓷表面的策略，成功解决了传统活性钎焊 Y₂O₃-MgO 纳米复合陶瓷与 TC4 合金时容易形成脆性 Cu₂Y₂O₅ 界面层的问题。
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  揭示了重建机制：在钎料熔化之前的固态预反应将 Y₂O₃ 相通过 Al₂O3 介导的原位反应转化为稳定的 Y₃Al₅O₁₂ 前驱体，有效地实现了与熔融钎料中自由 Cu 原子的物理隔离，并从源头上抑制了有害相。
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  通过 Al₂O₃ 涂层进行的陶瓷表面重建从根本上消除了脆性 Cu₂Y₂O₅ 相，建立了一种由 Y₃Al₅O₁₂?+?MgO 内部反应层和 (Cu, Al)₃Ti₃O?+?Y₂O₃ 外部反应层组成的多层梯度结构。
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  在 880°C/10 min 的最佳钎焊条件下，最大剪切强度达到 70 MPa，比直接钎焊显著提高了 84%。断裂模式从根本上从界面脆性断裂转变为陶瓷基体断裂，这表明重建后的界面不再是弱点。

引言

Y₂O₃-MgO 纳米复合陶瓷由于其高红外透过率、低热发射率以及抗热震和抗侵蚀性，是一种有前景的红外窗口材料。其精炼的双相纳米结构是在烧结过程中由 Y₂O₃ 和 MgO 晶粒生长相互抑制形成的 [[1], [2], [3]]，使其适用于高温条件下的下一代飞机红外窗口 [4,5]。然而，在实际组件中，陶瓷必须钎焊到 TC4 (Ti-6Al-4V) 轻质外壳上 [[6], [7], [8]]，这仍然具有挑战性，因为 Y₂O₃ 和 MgO 化学惰性。

含 Ti 的钎料，如 Ag-Cu-Ti [9] 和 Ti-Zr-Ni-Cu [10]，常用于激活 Y₂O₃-MgO 陶瓷并促进与 TC4 的结合。然而，Ti 也促进 Cu₃Ti₃O 的形成并诱导连续的脆性 Cu₂Y₂O₅ 层，这成为优选的裂纹路径并限制了接头强度。当在 Ag-Cu 基钎料中使用其他活性元素 (V, Cr 和 Al) 时，类似的 Cu₂Y₂O₅ 层仍然形成（见补充材料中的图 S1–S3），这表明仅改变活性元素无法解耦液相钎焊期间的 Cu-Y-O 竞争反应。最近的界面工程策略，包括增材制造辅助的异质结构 [11,12]、复杂陶瓷的新型反应钎焊 [13,14] 以及向近均匀接头转变的界面相变 [15]，显示出抑制脆性相和减少热机械不匹配的强劲潜力。

因此，为了从根本上抑制有害 Cu₂Y₂O₅ 相的形成，关键不仅仅是改变液固相互作用的活性元素，而是在钎料熔化之前实施陶瓷表面的预重建。

为了实现这种预重建，Al₂O₃ 因其与 Y₂O₃ [16] 和 MgO [17] 都具有优异的化学相容性而成为一个理想的候选者。例如，Li 等人 [18] 证明，在加工 Y₂O₃-MgO 纳米复合陶瓷期间，引入 Al₂O₃ 很容易与 Y₂O₃ 反应形成明显的 Y-Al-O 相。此外，Fan 等人 [19] 报告说 Al₂O₃ 也可以在 700°C 与 MgO 发生固态反应形成 MgAl₂O₄ 相。新形成的 Y-Al-O 相（例如 Y₃Al₅O₁₂）表现出显著增强的模量 308 GPa [20]，与原始 Y₂O₃ 相（178 GPa）[21] 相比有了大幅增加。同时，MgAl₂O₄ 相保持与 MgO 相当的模量，同时硬度显著增加 [22,23]。因此，在 Y₂O₃-MgO 表面构建 Al₂O₃ 涂层会在加热阶段触发与 Y₂O₃ 的优先原位反应，建立机械坚固的 Y-Al-O 前驱体层。这种固态预重建经过战略设计，用高模量 Y-Al-O 化合物（例如 Y₃Al₅O₁₂）替换 Y₂O₃ 相，从而从根本上保护陶瓷免受具有侵蚀性的 Cu 诱导反应。这种方法提供了一种变革性的路线，用于定制陶瓷侧界面并确保钎焊接头的结构完整性。

为了验证这种预重建策略，通过 Al 溅射随后空气氧化在 Y₂O₃-MgO 陶瓷上制备了 Al₂O₃ 涂层。然后研究了 Ag-Cu-Ti 钎焊的 Y₂O₃-MgO/TC4 接头的界面演变和机械性能，重点在于 Al₂O₃ 涂层如何重建陶瓷表面、消除脆性 Cu₂Y₂O₅ 并增强接头可靠性。

章节片段

材料

在本研究中，Y₂O₃-MgO 纳米复合陶瓷是一种新开发的商业陶瓷 [24]。Y₂O₃-MgO 纳米复合陶瓷和 TC4 合金分别切割成两种不同的尺寸 (4 mm?×?4 mm?×?3 mm 和 10 mm?×?5 mm?×?3 mm)，准备作为钎焊实验的上下结合伙伴。加工前，所有样品均在丙酮中超声清洗以去除表面污染物。本研究使用的活性钎料是 Ag-Cu-3.5Ti 箔，具有

Al₂O₃ 涂层在 Y₂O₃-MgO 陶瓷表面的表征

溅射沉积的 Al 层在 600°C 空气中氧化 120 min 形成 Al₂O₃ 涂层。如图 2 (a) 所示，改性表面致密且连续，无明显宏观缺陷。图 2 (b) 的横截面 SEM 图像进一步确认了与 Y₂O₃-MgO 陶瓷紧密粘合的连续涂层。Al₂O₃ 涂层厚度约为 3.78 μm，使用校准的 SEM 在不少于十个位置从抛光横截面 SEM 图像测量得出。

结论

在本研究中，通过 Al₂O₃ 介导的表面重建实现了 Y₂O₃-MgO 纳米复合陶瓷与 TC4 合金的可靠钎焊。主要结论如下：

• (1) 通过磁控溅射和空气氧化在 Y₂O₃-MgO 陶瓷上形成了连续的 Al₂O₃ 涂层，为陶瓷侧界面重建提供了基础。
• (2) 在加热过程中，Al₂O₃ 在钎料熔化前与表面 Y₂O₃ 反应并产生 Y₃Al₅O₁₂?+?MgO 内部层。这种预反应将 Y₂O₃ 与

CRediT 作者贡献声明

Degang Li: 写作 – 初稿，可视化，验证，软件，项目管理，调查，形式分析，数据整理。 Bo Zhang: 写作 – 审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。 Kai Tian: 验证，方法论。 Ming Gao: 调查，数据整理。 Zhan Sun: 监督，资源，项目管理，概念化。 Qing Chang: 监督，项目管理，形式分析，数据整理。 Yue Wang: 验证，

竞争性利益声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢

作者衷心感谢中国国家自然科学基金 (No. 52504408)、中国黑龙江省自然科学基金 (No. QC2025E020)、中国国家自然科学基金 (Nos. U2167216 和 52475335)、中国黑龙江省自然科学基金 (No. YQ2025E012) 以及中国博士后科学基金资助项目 (No.2024M754181) 的财政支持。

Degang Li|Bo Zhang|Kai Tian|Ming Gao|Zhan Sun|Qing Chang|Yue Wang|Jingdong Bu|Lixia Zhang