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金属顶刊《Acta》用高熵合金改性的新型复合中间层连接的超强韧高温合金接头！

材料学网 · 公众号 · · 2024-11-28 19:49

正文

导读 : 在制造具有精密和复杂内腔结构的粉末冶金（ PM ）高温合金高性能涡轮盘时，带中间层的扩散键合（ DB ）是备受追捧的技术。采用夹层结构的“ BNi2/ 高熵合金 (HEA)/BNi2 ”夹层与 PM 高温合金 FGH98 结合，设计了多层复合键合（ MICB ）方法。 MICB 超高抗剪强度和优异的延性，呈现出典型的韧窝延性断裂模式。由于液态 BNi2 中间层的引入，消除了初始结合界面，代之以新生晶界（ GBs ），防止了界面脆性断裂。 HEA 箔的加入降低了接头的层错能（ SFE ），有利于变形孪晶（ DT ）的形成。因此，在变形过程中， γ ' 纳米颗粒和层错（ SFs ）、 LomerCottrell （ L-C ）锁、 DT 、 9R 相等多个亚结构增强了加工硬化能力，强化了接头。同时，在整个变形过程中， DT 的增殖和相互作用诱发了动态再结晶（ DRX ）的软化机制，并在塑性失稳发生时占主导地位，形成了大量由 γ/γ'纳米带组成的绝热剪切带（ ASB ），表明节理的延性得到了显著提高。

粉末冶金（ PM ）镍基高温合金因其出色的强度、韧性、高相稳定性以及在高温下抗蠕变和抗氧化性而备受航空发动机涡轮盘制造的青睐。在室温和高温下优异的力学性能源于没有凝固偏析和富含高密度γ ' 纳米颗粒的细晶组织。为了保证在高温下长时间的高效运行，复杂的内腔结构等有效的散热策略势在必行，并被广泛采用。 扩散键合（ DB ） 是一种极具发展前景的制造方法， 其键合压力极小 。在传统的无夹层 DB 工艺中，研究主要集中在优化接头微观结构，通过控制键合参数实现最优性能。然而，由于广泛的实验要求和成本限制（如材料成本），这种方法面临局限性。此外，对于析出强化的高温合金，接合参数选择不当，如温度过高或保温时间不足，会导致晶粒粗化、析出相再溶或界面空隙残留，对接头性能不利。为了克服这些挑战，带中间层的数据库得到了重视。

研究表明，在中间层中添加元素可以激活并促进原子向贱金属（ BM ）的快速扩散，从而在更低的温度或更短的持续时间下实现良好的连接。接缝性能在很大程度上取决于夹层的组成和结构。由于成分的差异， 脆性金属间化合物容易形成，在变形初期导致节理破坏 。此外，单一的固体或液体中间层很难同时消除粘接缺陷和强化 DB 接头。因此，设计和开发新型夹层材料和结构（使用多层夹层）对于提高接头强度、延展性甚至高温下的机械性能至关重要。此外，值得注意的是，目前的研究更多地侧重于阐明节理微观结构的形成和生长动力学，而忽视了塑性变形过程中力学响应的研究。

在本研究中， 香港城市大学 T. Yang 团队 将一种具有优异机械性能的金属材料——高熵合金（ HEA ）引入作为连接 PM 镍基高温合金 FGH98 的中间层。设计了一种 多层复合材料键合（ MICB ）方法构造了“ Bni2/HEA/Bni2 ”夹层 ，并对节理微观结构和剪切性能进行了综合研究。此外，将这些结果与使用单一 HEA 箔或 Bni2 箔的其他扩散连接进行了比较。 系统分析了层间类型对接头微变形子结构的影响，并讨论了接头在变形过程中的加工硬化和软化机理 。这些发现将为未来制造具有特殊性能的涡轮盘提供有价值的见解。

composite interlayer modified by high entropy alloy ” 发表在 Journal of Materials Science & Technology 上

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

表 1 BM 和中间层的化学成分（ at%) 。

图 1 HEA 箔的制作原理图， DB 工艺，压缩剪切试验。

(a) HEA 箔的电弧熔化和热机械处理； (b) HEA 箔的具体形状及其厚度；

(f) HEA 箔和 (g) FGH98 高温合金的相应组织； (h) 节点压剪试验过程。

图 2 采用不同夹层的 DB 接头形态。 SSDB 接头：

(a) 整体显微组织； (b) 层间区域形貌和 (c) 含纳米碳化物的界面形貌。

TLPB 关节： (d) 整体形貌； (e) 由 γ / γ ’ 相组成的 ISZ 微观结构；

(f) 含硼化物的 DAZ 形貌。 MICB 接头： (g) 整体形貌； (h) ISZ/HEA 微观结构，

(i) DAZ 微观结构。

FGH98 合金在相同的连接条件下，采用三种不同的连接方式进行扩散连接： (1)HEA 箔的固态扩散连接（ SSDB ）， (2) BNi2 中间层的瞬态液相连接（ TLPB ），以及 (3) “ BNi2/HEA/BNi2 ”中间层的夹层结构（在 MICB 过程中 BNi2 熔化， HEA 保持固态）。这些 DB 方法产生了三种独特的关节形态，如图 2 所示。在 SSDB 接头中（图 2 (a) ），初始键合界面仍然可见。由于 FGH98 合金的高热相稳定性和 HEA 导致的状态扩散，缓慢的原子扩散导致结合质量有限，显示出残留的界面缺陷，如空洞和纳米碳化物（图 2 (b, c) ）。然而，在 TLPB 和 MICB 过程中，熔点抑制剂（ MPD ，即 Si/B ）在 BNi2 中间层中的扩散促进了近界面区域的重熔和凝固，用新生的 gb 取代了初始界面（ BNi2/FGH98 或 BNi2/HEA 之间）（图 2 (d, g) ）。在 MICB 接头中，尽管添加了 3 个夹层（引入 4 个初始界面），但未观察到键合界面。