導語

香港城市大學楊濤教授團隊聯合西北工業大學李京龍、熊江濤教授團隊，在航空發動機關鍵構件焊接制造領域取得重大突破！團隊創新性提出高熵合金改性的“多層復合擴散焊技術”（Multi-Interlayer Composite Bonding, MICB），成功實現了粉末高溫合金接頭“高強度-高塑性”的協同提升，一舉攻克了該領域長期存在的“強韌倒置”共性難題。這一突破性成果已發表于材料科學頂級期刊《Acta Materialia》。

研究背景

航空發動機渦輪盤、葉片等熱端部件，其復雜內冷通道設計對連接或修復技術提出了精密成形與高可靠性的雙重嚴苛要求。擴散焊雖可實現近凈成形制造，卻面臨兩大瓶頸：(1) 界面缺陷：直接連接易誘發微孔洞及脆性碳化物，導致接頭突發性界面脆性斷裂；(2) 中間層性能局限：商用中間層強度低、韌性不足，難以有效強韌化接頭，易引發應變失配開裂，高溫性能遠低于設計需求。這已成為制約新一代航空發動機極限性能提升的關鍵瓶頸。因此，開發具有創新結構與優異性能的新型中間層材料，是突破擴散焊接頭焊合質量與強韌性協同提升難題的核心途徑。

技術突破：首創固/液協同強韌化的三明治夾層設計

研究團隊創新設計“BNi2/HEA/BNi2”三明治結構復合中間層（圖1），攻克傳統擴散連接“易強難韌”的瓶頸問題。該設計的核心優勢在于：液態BNi2釬料的添加可消除界面孔隙，顯著抑制界面脆性斷裂風險；固態FeCoNiTiAl高熵中間層箔材（自制）作為核心強化層，可促進合金元素互擴散，在接頭內原位誘導析出半共格TiB? 陶瓷顆粒與共格有序L1₂納米強化相（圖2, 3），實現多尺度協同強化。通過精確調控焊接參數，構建出“DAZ/ISZ/TBZ/ISZ/DAZ”的梯度結構接頭。該獨特結構實現了應變的有效分配與載荷的高效傳遞，突破性地解決了強度與塑性的固有矛盾：焊態接頭的室溫抗拉強度高達1.4 GPa，延伸率20 %（圖4）; 在800 ℃高溫下，接頭的高加工硬化率和塑性變形能力得益于晶內TiB?顆粒對位錯運動的有效阻礙，并在硼化物內部誘發堆垛層錯（圖5），抗拉強度可達980 MPa。

港城大-西工大跨界協同創新

本次突破依托兩校優勢資源深度整合：

Ø香港城市大學：高熵合金設計+先進結構材料研究中心

Ø西北工業大學：凝固技術國家重點實驗室+陜西省摩擦焊接技術重點實驗室

Ø聯合攻關：從材料設計（港城大）到工藝實現（西工大）的全鏈條創新

“如同給難焊材料的連接裝配‘變形協調器’，軟區吸收塑性應變，硬區阻擋位錯運動，最終實現接頭的協同強韌化。”

——袁琳博士（論文第一作者，香港城大博士后研究員）

“這項技術為航空發動機整體葉盤、渦輪轉子等關鍵熱端部件的制造或修復開辟了新路徑，有望提升我國新一代航空發動機的服役極限。”

——通訊作者楊濤教授（港城大）與熊江濤教授（西工大）

論文信息
Yuan L, Yang Y Z, Gan J, et al. Extraordinary strength-ductility synergy in superalloy joints via a high-entropy-alloy modified multi-interlayer composite bonding strategy[J]. Acta Materialia, 2025: 121186.
DOI: 10.1016/j.actamat.2025.121186

圖1 高熵箔材的制備、中間層及母材的微觀組織及添加“BNi2/HEA/BNi2”三明治結構中間層的高溫合金擴散焊接過程

圖2 具有梯度結構“DAZ/ISZ/TBZ/ISZ/DAZ”的接頭組織形貌，包括原位析出的微米級晶內TiB₂ 硼化物以及有序共格的L1₂ 納米顆粒

圖3 與HEA基體具有半共格相位關系的TiB₂硼化物的形貌與晶體結構

圖4 不同焊接參數的接頭室/高溫拉伸性能及其最佳性能與其他高溫合金擴散焊接頭力學性能的對比圖

圖5 高溫800°C下接頭的微觀變形組織，包括硼化物內部的堆垛層錯，TiB₂/HEA半共格界面以及HEA內部的的位錯形貌