带纯镍夹层的扩散连接IN617/Ni/P92接头的微观组织与力学性能

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure and mechanical performance of the diffusion-bonded IN617/Ni/P92 joint with a pure Ni interlayer

　　

摘要
高质量的铁/镍基连接接头可确保热交换器在高温和循环热应力条件下长期服役。本研究通过热压（HP）和电场辅助（EFAS）扩散连接（DB）技术，利用纯镍中间层实现了 IN617 镍基高温合金与 P92 耐热钢之间的异种扩散连接。通过正交实验、力学测试和微观表征，研究了工艺参数、中间层厚度和电流对界面微观组织和力学性能的影响。结果表明，纯镍中间层通过细晶扩散层诱导的晶界扩散和迁移，有效地促进了界面空隙闭合和冶金结合，且细晶层中的∑3 特殊晶界增强了接头的服役性能。在最佳参数下（1000 °C、20 MPa、50 μm Ni 中间层、HP-DB），接头的最大剪切强度达到 581.13 MPa。计算得出的激活能（50 μm 中间层条件下，Ni/IN617 为 130.4 ± 7.7 kJ/mol，Ni/P92 为 121.7 ± 37.1 kJ/mol）支持了界面扩散主要由晶界扩散机制主导的结论。电流和镍中间层呈现出显著的协同效应：电流加速了界面晶界迁移和原子互扩散。界面晶粒在高温快速动力学控制下生长，且无特定的晶体学取向关系。Ni/P92 界面附近的 Fe-Ni 固溶层通过抑制脆性金属间化合物并利用其成分梯度缓解热失配应力来增强接头性能。本研究为优化高性能 Fe/Ni 基合金扩散连接接头的工艺参数和选择中间层厚度提供了可靠的实验和机理基础。

引言
随着全球能源危机加剧和环境问题日益紧迫，提高能源利用效率已成为推动工业技术发展的关键问题 [1]。凭借卓越的传热性能和空间效率，紧凑式热交换器已成为能源系统中的关键组件 [2,3]。由于单位体积传热面积大且能在恶劣条件下运行，紧凑式热交换器广泛应用于航空航天、新能源汽车和电子冷却等领域 [4]。例如，在汽车行业应用中，对于内燃机冷却和动力热管理而言，在受限空间内实现高效热交换并承受高温高压环境至关重要 [5]。在航空应用中，紧凑设计能够实现燃油效率提升和部件减重 [6]。

高性能系统的可靠性严重依赖于焊接技术。热交换器的核心部件如管子 翅片需承受长期的极端热机载荷。传统焊接往往导致热影响区软化和气孔等缺陷，使接头在高温、高压或腐蚀条件下面临早期失效风险 [7]。扩散连接（DB）工艺解决了这些挑战 [[8], [9], [10]]，通过高温/高压下的固态原子扩散实现冶金结合 [11]。因此，它避免了熔焊缺陷（如热裂纹），并由于扩散层均匀而减少了应力集中 [12,13]。精确的界面成分控制进一步增强了耐腐蚀性。DB 工艺已广泛用于同种/异种金属和合金的连接，为紧凑式热交换器的性能提供了必要的技术支持。除了常规的热压 DB 外，电场辅助烧结（EFAS）已被用作一种更高效的连接方法，用于连接 Ti-22Al-25Nb 合金 [14]、Ti2AlNb 合金 [15]、Inconel 617 [16] 和 Inconel 718 [17]。Zhang 等人 [18] 对比了通过 HP 和 EFAS 方法获得的 Inconel 617 接头的微观组织。观察到晶粒迁移存在显著差异，这表明电流通过抑制 DB 过程中界面析出物的生成来促进界面扩散，从而提高扩散效率。Zhang 等人 [16] 研究了 EFAS 获得的 IN617 的微观组织特征和力学行为，进一步探索了最佳工艺参数。由于 EFAS 过程中产生的内部焦耳热，可以实现高热速率，从而显著缩短整体加工时间。Inconel 617 合金凭借其卓越的力学稳定性（>700 °C）[19,20] 和优异的耐腐蚀/抗氧化性 [21]，是高温热交换器的理想选择。P92（9% Cr-Mo 变种）提供了优异的高温强度和蠕变抗力，良好的可焊性，以及在长时间热暴露下的微观组织稳定性 [22]。这两种合金均适用于需要 >600 °C 长期服役的紧凑式热交换器，包括核废料余热回收系统和航空发动机再生组件。混合设计策略性地将在极端气体暴露端使用 IN617，而在中温段使用成本较低的 P92 以实现成本效益。

然而，由于热膨胀系数（CTE）不匹配，异种合金连接面临重大挑战，这会产生界面残余应力，损害接头完整性 [23]。这一挑战推动了针对异种接头 Fe/Ni 基中间层的大量研究。Kulkarni 等人 [24] 证明，在各种焊接方法中，中间层能抑制 P91/316L 不锈钢接头中的碳迁移和元素互扩散。Xiong 等人 [25] 优化了使用 Ni 中间层 GH4099 高温合金的 DB 参数，确立了依赖厚度的性能阈值。Paidar 等人 [26] 使用 50 μm Ag 中间层实现了无孔 IN-617/321 钎焊接头，指出反应层均匀性随钎焊时间（750 °C，30-60min）按比例变化。Sun 等人 [27] 通过添加纯 Ti 中间层，将 Zr-4 合金的 DB 温度降低了 100°。Binesh 等人 [28] 报告了使用 50 μm MBF-20 非晶中间层（1030 °C，30min）的 IN718/316L 接头具有 440 MPa 的剪切强度（比基体金属高 42-56.5%）。相反，Mylavarapu 等人 [29] 观察到使用超薄（2.5 μm）Ni 中间层的 Inconel 617 接头晶粒生长不足，这强调了中间层厚度在实现稳健界面中的关键作用。

先前的研究分别调查了中间层对 DB 的影响 [[24], [25], [26], [27], [28], [29]] 以及 EFAS-DB 的有效性 [[14], [15], [16], [17], [18]]。在异种合金连接的背景下，尚未对 HP-DB 和 EFAS-DB 进行系统对比，特别是关于界面微观组织演变以及电流与中间层之间的协同机制。尽管 DB 在高温热交换器领域已取得重大进展 [[8], [9], [10],29,30]，但尚未系统建立 IN617/P92 接头中间层厚度的选择标准，且电流与中间层对界面微观组织演变的协同效应仍不清楚。

在本研究中，选择纯镍作为中间层材料以缓解 IN617 和 P92 之间的 CTE 不匹配 [23]。我们系统地研究了工艺参数、中间层厚度和电流对界面微观组织和力学性能的影响。本工作的主要贡献如下：揭示了 HT-DB 和 EFAS-DB 过程中的界面强化机制；建立了中间层厚度的选择标准；阐明了电流与 Ni 中间层之间的协同效应；并确定了 Fe-Ni 固溶相及其对 DB 接头的强化作用。

章节片段
材料与实验
本研究中，使用了直径均为 65 mm 的 Inconel 617 镍基合金（IN617）和 P92 马氏体钢（P92）棒，以及纯度为 99.99% 的纯镍箔（Ni）。考虑到热膨胀兼容性和工业中常用的镍箔厚度，选择了 50 μm 和 100 μm 作为中间层厚度。IN617 和 P92 的化学成分分别列于表 1 中。尺寸为 20 mm × 20 mm × 4 mm 的焊接试样切割自

力学性能
剪切强度根据以下公式计算：τ = F_max / A，其中 F_max 和 A 分别表示测试过程中的最大载荷和剪切试样的横截面积。对两种基体材料均进行了剪切测试，IN617 和 P92 的平均室温剪切强度分别为 663 MPa 和 988 MPa。所有组别的剪切强度平均值和标准差绘制于图 3 中。G2、G4 和 G6 或 G1、G3 和 G5 的对比

细晶层的影响
DB 通常涉及几种主要机制：初始塑性变形、表面扩散、晶界扩散、蠕变和晶格扩散 [11]。细晶层加速了晶界扩散，并创造了晶界迁移的微观组织条件。因此，通过再结晶形成的细晶层通过空隙闭合（由晶界扩散和迁移促进）和细晶

结论
在本研究中，对 IN617 和 P92 进行了 HP 和 EFAS 扩散连接，并使用纯镍中间层。正交实验系统地研究了工艺参数、中间层厚度和电流对接头质量的影响。通过结合宏观力学测试和微观表征对结果进行了综合分析。得出以下结论。
(1) 引入纯镍箔有利于 IN617 和 P92 的扩散连接。细晶的形

CRediT 作者贡献声明
Jia-Ming Liu: 撰写 – 原稿，可视化。Hui-Ping Wu: 撰写 – 审查与编辑，资源，方法论，形式分析。Jia-Cheng Lu: 验证。Yu-Qiang Li: 可视化。Qi Hu: 监督。Xi-Feng Li: 监督。Jun Chen: 监督。

利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

Jia-Ming Liu|Hui-Ping Wu|Jia-Cheng Lu|Yu-Qiang Li|Qi Hu|Xi-Feng Li|Jun Chen
上海交通大学 材料科学与工程学院 成型技术装备研究所，中国上海，200030