導(dǎo)讀:在制造具有精密和復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的粉末冶金（PM）高溫合金高性能渦輪盤時(shí)，帶中間層的擴(kuò)散鍵合（DB）是備受追捧的技術(shù)。采用夾層結(jié)構(gòu)的“BNi2/高熵合金(HEA)/BNi2”夾層與PM高溫合金FGH98結(jié)合，設(shè)計(jì)了多層復(fù)合鍵合（MICB）方法。MICB超高抗剪強(qiáng)度和優(yōu)異的延性，呈現(xiàn)出典型的韌窩延性斷裂模式。由于液態(tài)BNi2中間層的引入，消除了初始結(jié)合界面，代之以新生晶界（GBs），防止了界面脆性斷裂。HEA箔的加入降低了接頭的層錯(cuò)能（SFE），有利于變形孿晶（DT）的形成。因此，在變形過程中，γ'納米顆粒和層錯(cuò)（SFs）、LomerCottrell （L-C）鎖、DT、9R相等多個(gè)亞結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了加工硬化能力，強(qiáng)化了接頭。同時(shí)，在整個(gè)變形過程中，DT的增殖和相互作用誘發(fā)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（DRX）的軟化機(jī)制，并在塑性失穩(wěn)發(fā)生時(shí)占主導(dǎo)地位，形成了大量由γ/γ'納米帶組成的絕熱剪切帶（ASB），表明節(jié)理的延性得到了顯著提高。

粉末冶金（PM）鎳基高溫合金因其出色的強(qiáng)度、韌性、高相穩(wěn)定性以及在高溫下抗蠕變和抗氧化性而備受航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤制造的青睞。在室溫和高溫下優(yōu)異的力學(xué)性能源于沒有凝固偏析和富含高密度γ'納米顆粒的細(xì)晶組織。為了保證在高溫下長時(shí)間的高效運(yùn)行，復(fù)雜的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)等有效的散熱策略勢(shì)在必行，并被廣泛采用。擴(kuò)散鍵合（DB）是一種極具發(fā)展前景的制造方法，其鍵合壓力極小。在傳統(tǒng)的無夾層DB工藝中，研究主要集中在優(yōu)化接頭微觀結(jié)構(gòu)，通過控制鍵合參數(shù)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能。然而，由于廣泛的實(shí)驗(yàn)要求和成本限制（如材料成本），這種方法面臨局限性。此外，對(duì)于析出強(qiáng)化的高溫合金，接合參數(shù)選擇不當(dāng)，如溫度過高或保溫時(shí)間不足，會(huì)導(dǎo)致晶粒粗化、析出相再溶或界面空隙殘留，對(duì)接頭性能不利。為了克服這些挑戰(zhàn)，帶中間層的數(shù)據(jù)庫得到了重視。

研究表明，在中間層中添加元素可以激活并促進(jìn)原子向賤金屬（BM）的快速擴(kuò)散，從而在更低的溫度或更短的持續(xù)時(shí)間下實(shí)現(xiàn)良好的連接。接縫性能在很大程度上取決于夾層的組成和結(jié)構(gòu)。由于成分的差異，脆性金屬間化合物容易形成，在變形初期導(dǎo)致節(jié)理破壞。此外，單一的固體或液體中間層很難同時(shí)消除粘接缺陷和強(qiáng)化DB接頭。因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)新型夾層材料和結(jié)構(gòu)（使用多層夾層）對(duì)于提高接頭強(qiáng)度、延展性甚至高溫下的機(jī)械性能至關(guān)重要。此外，值得注意的是，目前的研究更多地側(cè)重于闡明節(jié)理微觀結(jié)構(gòu)的形成和生長動(dòng)力學(xué)，而忽視了塑性變形過程中力學(xué)響應(yīng)的研究。

在本研究中，香港城市大學(xué)T. Yang 團(tuán)隊(duì)將一種具有優(yōu)異機(jī)械性能的金屬材料——高熵合金（HEA）引入作為連接PM鎳基高溫合金FGH98的中間層。設(shè)計(jì)了一種多層復(fù)合材料鍵合（MICB）方法構(gòu)造了“Bni2/HEA/Bni2”夾層，并對(duì)節(jié)理微觀結(jié)構(gòu)和剪切性能進(jìn)行了綜合研究。此外，將這些結(jié)果與使用單一HEA箔或Bni2箔的其他擴(kuò)散連接進(jìn)行了比較。系統(tǒng)分析了層間類型對(duì)接頭微變形子結(jié)構(gòu)的影響，并討論了接頭在變形過程中的加工硬化和軟化機(jī)理。這些發(fā)現(xiàn)將為未來制造具有特殊性能的渦輪盤提供有價(jià)值的見解。

相關(guān)研究成果以“Ultrastrong and ductile superalloy joints bonded with a novel

composite interlayer modified by high entropy alloy”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030224009976

表1 BM和中間層的化學(xué)成分（at%)。

圖1 HEA箔的制作原理圖，DB工藝，壓縮剪切試驗(yàn)。

(a) HEA箔的電弧熔化和熱機(jī)械處理；(b) HEA箔的具體形狀及其厚度；

(c)使用“BNi2/HEA/BNi2”中間層的MICB接頭的DB和（d, e）組裝過程；

(f) HEA箔和(g) FGH98高溫合金的相應(yīng)組織；(h)節(jié)點(diǎn)壓剪試驗(yàn)過程。

圖2采用不同夾層的DB接頭形態(tài)。SSDB接頭：

(a)整體顯微組織；(b)層間區(qū)域形貌和(c)含納米碳化物的界面形貌。

TLPB關(guān)節(jié)：(d)整體形貌；(e)由γ/γ’相組成的ISZ微觀結(jié)構(gòu)；

(f)含硼化物的DAZ形貌。MICB接頭：(g)整體形貌；(h) ISZ/HEA微觀結(jié)構(gòu)，

(i) DAZ微觀結(jié)構(gòu)。

FGH98合金在相同的連接條件下，采用三種不同的連接方式進(jìn)行擴(kuò)散連接：(1)HEA箔的固態(tài)擴(kuò)散連接（SSDB）， (2) BNi2中間層的瞬態(tài)液相連接（TLPB），以及(3)“BNi2/HEA/BNi2”中間層的夾層結(jié)構(gòu)（在MICB過程中BNi2熔化，HEA保持固態(tài)）。這些DB方法產(chǎn)生了三種獨(dú)特的關(guān)節(jié)形態(tài)，如圖2所示。在SSDB接頭中（圖2 (a)），初始鍵合界面仍然可見。由于FGH98合金的高熱相穩(wěn)定性和HEA導(dǎo)致的狀態(tài)擴(kuò)散，緩慢的原子擴(kuò)散導(dǎo)致結(jié)合質(zhì)量有限，顯示出殘留的界面缺陷，如空洞和納米碳化物（圖2 (b, c)）。然而，在TLPB和MICB過程中，熔點(diǎn)抑制劑（MPD，即Si/B）在BNi2中間層中的擴(kuò)散促進(jìn)了近界面區(qū)域的重熔和凝固，用新生的gb取代了初始界面（BNi2/FGH98或BNi2/HEA之間）（圖2 (d, g)）。在MICB接頭中，盡管添加了3個(gè)夾層（引入4個(gè)初始界面），但未觀察到鍵合界面。

圖3 MICB接頭中相的形貌和TEM結(jié)果。

(a) HEA區(qū)域與ISZ之間的形態(tài)；

(b) HEA區(qū)和(c) ISZ區(qū)g納米顆粒的DF-TEM圖像及其SAED模式；

(d)含硼化物的DAZ形貌；(e) M₃B₂硼化物與γ基體界面的BF-TEM圖像；

(f)界面的HRTEM圖和相應(yīng)的FFT圖。

圖4 DB節(jié)理的抗剪結(jié)果及其他材料節(jié)理與MICB節(jié)理抗剪強(qiáng)度的比較。

(a) SSDB、TLPB和MICB節(jié)點(diǎn)的“位移-抗剪強(qiáng)度”曲線；

(b)我們研究的DB接頭與各種高溫合金或HEAs的抗剪強(qiáng)度比較。

圖5 DB接頭斷裂顯微組織。

SSDB接頭：(a)斷裂剖面整體形貌；(b)相應(yīng)的界面形態(tài)；(c)斷口表面顯微組織；TLPB接頭：(d)斷口剖面顯微組織；(e)擴(kuò)大DAZ；(f)斷口表面顯微組織；

(g)整體形貌，包括BM和節(jié)理的原生裂紋；(h)包括孔洞和變形帶在內(nèi)的擴(kuò)展顯微組織；

(i)斷口表面相應(yīng)的形貌

圖6 DB工藝示意圖，硬度分布結(jié)果，以及相應(yīng)的接頭變形子結(jié)構(gòu)。

(a)節(jié)點(diǎn)在DB和加載過程中的示意圖；(b) TLPB和MICB接頭硬度分布結(jié)果；

（c、d） TLPB節(jié)理和（e、f） MICB節(jié)理的變形子結(jié)構(gòu)。

圖7變形子結(jié)構(gòu)的HRTEM和STEM-HAADF結(jié)果MICB接頭。

(a) HRTEM整體模式，包括γ/γ′相、SFs、DT和9R相；

詳細(xì)放大圖，包括（b、c） DT相和（d、e） 9R相的HRTEM和FFT模式；

(f) STEM-HAADF圖像及其對(duì)應(yīng)的EDS映射。

圖8 MICB關(guān)節(jié)的斷裂形態(tài)、相應(yīng)的EBSD和TKD結(jié)果。

(a)斷口整體微觀結(jié)構(gòu)；(b) ISZ/HEA中裂紋尖端附近包括ASB和DT的變形帶形貌；

(c) ASB形態(tài)；（d, g）關(guān)節(jié)整體斷裂的IPF和KAM圖像（通過EBSD測(cè)試）；

（e, h） ASB外（TKD測(cè)試）和ASB內(nèi)（f, i）區(qū)域（TKD測(cè)試）的矩陣區(qū)域。

圖9ASB和γ/γ’矩陣的TEM結(jié)果。

(a) BF-TEM圖像；(b) ASB的擴(kuò)大，包括大量納米波段；(c)多晶環(huán)對(duì)應(yīng)的SAED模式；

(d)納米帶寬統(tǒng)計(jì)結(jié)果；(e)矩陣的BF-TEM圖像；(f)其SAED模式和(g) CDF-TEM圖像；

(h) L12直徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果；(i) HAADF圖像和相應(yīng)的EDS映射。

圖10不同荷載作用下MICB節(jié)點(diǎn)變形子結(jié)構(gòu)演化1.75 kN作用下的接頭顯微組織：

(a)位錯(cuò)向GB滑移；(b)滑移軌跡特性；(c) L12相周圍的位錯(cuò)對(duì)；

(d)位錯(cuò)繞過L12；2.4 kN荷載作用下的接頭微觀結(jié)構(gòu)：(e) DT特征；(f)相應(yīng)的DT放大；

(g) HRTEM和FFT模式；(h)局部納米孿晶形貌；2.83 kN作用下的接頭顯微組織：

(i) ASB和基體的BF-TEM圖像；(j) ASB中納米波段的DF-TEM圖像；

(k)矩陣中包含SFs和l - c鎖相的HRTEM圖，以及(l)變形的L12相和(m) FCC相對(duì)應(yīng)的FFT圖；

(n) MICB節(jié)理剪切試驗(yàn)變形子結(jié)構(gòu)演化示意圖。

表2用EPMA法測(cè)定TLPB和MICB的化學(xué)成分(%)。

本研究提出了一種新型的“BNi2/HEA/BNi2”夾層連接FGH98高溫合金的MICB方法。研究了接頭組織、剪切性能和斷裂組織。此外，系統(tǒng)探討了夾層對(duì)變形子結(jié)構(gòu)的影響以及變形過程中MICB接頭的加工硬化和軟化行為。主要成果如下：

(1)在TLPB和MICB接頭中引入液態(tài)BNi2夾層，消除了初始結(jié)合界面，代之以新生的GBs，阻礙了接頭發(fā)生脆性界面斷裂。

(2)在TLPB和MICB關(guān)節(jié)中，基底膜中的Al、Ti和Ta擴(kuò)散在γ基體中沉淀了大量有序的L12-γ'納米顆粒。此外，B原子從BNi2中間層向BMs的遷移導(dǎo)致M₃B₂硼化物的形成并產(chǎn)生DAZ。

(3)在變形過程中，加工硬化和軟化機(jī)制相互競(jìng)爭(zhēng)。MICB接頭強(qiáng)度的增強(qiáng)主要是由于γ′的析出和SFs、L-C鎖相、DT和9R相的多重變形亞結(jié)構(gòu)。高密度DT的形成和相互作用可誘發(fā)DRX的軟化機(jī)制，形成大量由γ/γ'納米帶組成的ASB，導(dǎo)致接頭破壞。

(4)MICB節(jié)理的最優(yōu)抗剪強(qiáng)度為1132.4 MPa，比SSDB節(jié)理和TLPB節(jié)理分別提高約130%和45%。此外，MICB接頭的延展性也得到了改善，在接頭斷裂處出現(xiàn)了大量的韌窩和大量的ASB。