通过激光表面改性提升Zr-3/SiC异质结构的可靠性：界面反应控制、残余应力释放与机械互锁

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Enhancing the reliability of Zr-3/SiC heterostructures via laser surface modification: Interfacial reaction control, residual stress relief and mechanical interlocking

　　

摘要

为了提高Zr-3/SiC异质结构的可靠性，本研究提出了一种将纳秒激光表面改性技术与钎焊相结合的界面工程方法。在钎焊前，对SiC表面在不同扫描间距下进行激光改性处理，随后在970℃下使用Ti-28Ni钎料将其与Zr-3合金进行钎焊。研究结果表明，激光改性促进了SiC表面稳定SiO₂层的形成，进而产生了规则排列的沟槽结构。在改性后的Zr-3/SiC接头中，界面产物保持不变，但(Ti, Zr)₅Si₃和ZrC相显著增加，而(Ti, Zr)₂Ni相有所减少。此外，改性后建立了坚固的SiC/TiO₂/ZrC界面，与原有的SiC/(Ti, Zr)₅Si₃/ZrC界面相比，该界面的残余应力降低了381.9 MPa。同时，表面沟槽结构通过机械互锁和裂纹偏转作用增强了界面韧性。当扫描间距为90 μm时，改性后的Zr-3/SiC接头剪切强度达到峰值83.1 MPa，显著超过了原始Zr-3/SiC接头的25.3 MPa。本研究阐明了激光诱导表面改性在调控界面反应、缓解残余应力以及增强机械互锁方面的协同强化机制，为Zr-3/SiC核燃料包壳的可靠连接提供了新的策略。