研究背景
高性能的涡轮发动机的可控制造一直是现代飞机制造的痛点。高温合金凭借其高温相稳定性和抗蠕变性能是制造航空涡轮部件的关键材料，但直接扩散连接会产生诸多缺陷，这些缺陷会严重恶化材料的力学性能。因此，研究人员通过引入中间层构建浓度梯度，促进原子扩散并减少缺陷。现有中间层在高温环境下力学性能表现不佳，限制了其在关键涡轮部件中的应用。本研究通过开发高性能中间层，引入多强化机制，阐明变形机制，实现高温合金接头的强韧性协同提升。
文献链接
DOI: 10.1016/j.actamat.2025.121186
1
研究结果
接头在1150°C下保温60分钟的微观形貌与元素分布如图1所示。初始设置了三层中间层，保温后最终形成的接头有五个因析出相类型不同的特征区域组成（图1a, b），分别为扩散影响区（DAZ）、等温凝固区（ISZ）、中心钛硼化物区（TBZ）。图1 c展示了电子探针显微分析（EPMA）分析，显示TBZ主要由富Ti硼化物构成，表现为微米级的黑色块状与板条状形貌。相反，DAZ则存在亚微米级富Cr硼化物，表现为沿晶界分布的条状析出相及在γ相晶粒内分布的针状硼化物。STEM-BF图与SAED图谱显示，ISZ区内弥散分布大量纳米颗粒，为L12-γ’相，这些颗粒为连接过程后的冷却阶段形成。
图1 多中间层复合连接（MICB）接头保温后的微观形貌和元素分布图。a 整体形貌；b 微观结构；c TBZ区；d DAZ区；e ISZ区；f STEM-BF图像；g 元素分布图
沿[11-20]晶带轴拍摄的STEM-BF图像与SAED图谱表明，TBZ中为六方晶体结构的TiB2（图2 a）。HRTEM与FFT图表明，TiB2与高熵合金（HEA）界面保持半共格关系（图2 b, c）。BC图与IPF图表明TiB2呈随机分布，平均尺寸为2.6 μm。特定晶面与取向极图证明，高熵合金基体与TiB2存在S-N相变关系，这种关系与密排面及取向匹配，大幅降低了新旧相间的界面能。
图2 TBZ区的富Ti硼化物晶体结构与晶体学特征。a TiB2的STEM-BF图像及SAED图；b TiB2与高熵合金（HEAs）界面HRTEM图及FFT图谱；c 半共格截面的FFT图谱；d TBZ形貌；e IPF图；f 相分布图；g 特定取向及晶面极图
在DAZ区中，观察到主要沿晶界分布的具有四方结构的M3B2型硼化物（尺寸为200-700 nm），同时伴有晶内针状析出相存在，其中M代表多种过渡元素组合（图3 a, b）。STEM-HAADF图及元素分布图显示，M3B2富Cr、Mo、W，且被初生γ’相包围，表明M3B2的形核依赖于初生γ’相。
图3 DAZ区形貌，M3B2的晶体结构与STEM-HAADF图。a 含晶界硼化物的DAZ区微观形貌；b HRTEM与FFT图谱；c STEM-HAADF及元素分布图。
图4展示了接头在原位拉伸测试中，应变为4%、8%、12%时的微观结构。不同区域的变形行为通过滑移带的形貌及演变可以体现。当应变为4%时，变形程度小，滑移带优先在ISZ区中{111} 晶粒萌生（图4 a-c）。DAZ与TBZ区变形微乎其微（图4 d）。应变为8%时，接头发生更显著变形（图4 e），TBZ区观察到滑移带增多，相邻晶粒滑移取向存在差异，但在晶界处聚集，导致晶粒转动与应力集中（图4 f, g）。DAZ区晶粒内出现滑移带（图4 h），表明应变从ISZ区传递到DAZ区。应变为12%时，ISZ区和DAZ区相比，晶内TiB2成为有效阻碍位错的障碍，使得位错在其周围聚集，产生局部背应力阻碍位错进一步滑移。原位拉伸试验表明塑性变形按“ISZ-TBZ-DAZ”顺序发生。这种应变分配与载荷传递实现协同，提升接头变形能力与加工硬化能力。
图4 接头在1150°C保温10分钟在不同应变下的原位拉伸微观结构，及在12%应变下的EBSD结果。a-d ε=4%；e-h ε=8%；i-l ε=12%；m-p ε=12%时的EBSD结果。
图5 表明六方结构的TiB2对位错运动具有显著的阻碍作用（图5a，e）。此外，HEA基体中大量位错主要沿{111}滑移线排布，形成密集的位错网络（图5 a，b）。图5 d表明大量位错发生迁移并在TiB2周围聚集，形成粗大且相互重叠的位错环，并产生较高的局部应力。TiB2内部的三角位错表明硼化物已经发生变形（图5 b）。TBZ区失效，表现出较低的室温抗拉强度和总延伸率。
图5在1150°C保温10分钟后应变程度为12%的接头的TBZ变形亚结构及STEM-HAADF图。a 含HEA基体与TiB2的STEM-HAADF图；b 内部位错形貌；c 位错对形貌；d 位错塞积形貌；e 元素分布图
在800°C保温10分钟的拉伸过程中，随着位错合并、湮灭及原子扩散作用的进行，位错增值产生的加工硬化效应减弱。接头的热稳定性高的析出相越多，800°C下的屈服强度越高。此外，TiB2体积分数最高的接头在800°C保温10分钟实现最优异的强塑性组合。800°C下的TiB2中层错的存在，可提供额外的变形路径容纳塑性变形、延缓裂纹萌生，从而提升材料塑性。此外，HRTEM与FFT图谱（图6 e, f）表明，TiB2与HEA界面处呈半共格关系，可通过共格强化作用缓解应力集中与界面开裂问题。
图6 接头拉伸至断裂后TBZ的变形亚结构与STEM-HAADF图。
本文源自微信公众号：中材新材料
原文标题：《《Acta》：通过高熵合金改性中间层复合连接策略实现高温合金接头的优异强韧性协同！|| 中材检测助攻》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/OBauS0QTVXvNq2KkItzExA
本转载仅出于分享优质测试干货，旨在传递更多观点，并不代表赞同其全部观点或证实其内容的真实性。文章中所包含的图片、音频、视频等素材的版权均归原作者所有。如有侵权请告知删除。
