金屬頂刊《Acta》用高熵合金改性的新型復合中間層連接的超強韌高溫合金接頭！

2024-11-29 13:18:23 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀:在制造具有精密和復雜內腔結構的粉末冶金（PM）高溫合金高性能渦輪盤時，帶中間層的擴散鍵合（DB）是備受追捧的技術。采用夾層結構的“BNi2/高熵合金(HEA)/BNi2”夾層與PM高溫合金FGH98結合，設計了多層復合鍵合（MICB）方法。MICB超高抗剪強度和優異的延性，呈現出典型的韌窩延性斷裂模式。由于液態BNi2中間層的引入，消除了初始結合界面，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（SFs）、LomerCottrell （L-C）鎖、DT、9R相等多個亞結構增強了加工硬化能力，強化了接頭。同時，在整個變形過程中，DT的增殖和相互作用誘發了動態再結晶（DRX）的軟化機制，并在塑性失穩發生時占主導地位，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度、韌性、高相穩定性以及在高溫下抗蠕變和抗氧化性而備受航空發動機渦輪盤制造的青睞。在室溫和高溫下優異的力學性能源于沒有凝固偏析和富含高密度γ'納米顆粒的細晶組織。為了保證在高溫下長時間的高效運行，復雜的內腔結構等有效的散熱策略勢在必行，并被廣泛采用。擴散鍵合（DB）是一種極具發展前景的制造方法，其鍵合壓力極小。在傳統的無夾層DB工藝中，研究主要集中在優化接頭微觀結構，通過控制鍵合參數實現最優性能。然而，由于廣泛的實驗要求和成本限制（如材料成本），這種方法面臨局限性。此外，對于析出強化的高溫合金，接合參數選擇不當，如溫度過高或保溫時間不足，會導致晶粒粗化、析出相再溶或界面空隙殘留，對接頭性能不利。為了克服這些挑戰，帶中間層的數據庫得到了重視。

研究表明，在中間層中添加元素可以激活并促進原子向賤金屬（BM）的快速擴散，從而在更低的溫度或更短的持續時間下實現良好的連接。接縫性能在很大程度上取決于夾層的組成和結構。由于成分的差異，脆性金屬間化合物容易形成，在變形初期導致節理破壞。此外，單一的固體或液體中間層很難同時消除粘接缺陷和強化DB接頭。因此，設計和開發新型夾層材料和結構（使用多層夾層）對于提高接頭強度、延展性甚至高溫下的機械性能至關重要。此外，值得注意的是，目前的研究更多地側重于闡明節理微觀結構的形成和生長動力學，而忽視了塑性變形過程中力學響應的研究。

在本研究中，香港城市大學T. Yang 團隊將一種具有優異機械性能的金屬材料——高熵合金（HEA）引入作為連接PM鎳基高溫合金FGH98的中間層。設計了一種多層復合材料鍵合（MICB）方法構造了“Bni2/HEA/Bni2”夾層，并對節理微觀結構和剪切性能進行了綜合研究。此外，將這些結果與使用單一HEA箔或Bni2箔的其他擴散連接進行了比較。系統分析了層間類型對接頭微變形子結構的影響，并討論了接頭在變形過程中的加工硬化和軟化機理。這些發現將為未來制造具有特殊性能的渦輪盤提供有價值的見解。

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

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

表1 BM和中間層的化學成分（at%)。

圖1 HEA箔的制作原理圖，DB工藝，壓縮剪切試驗。

(a) HEA箔的電弧熔化和熱機械處理；(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高溫合金的相應組織；(h)節點壓剪試驗過程。

圖2采用不同夾層的DB接頭形態。SSDB接頭：

(a)整體顯微組織；(b)層間區域形貌和(c)含納米碳化物的界面形貌。

TLPB關節：(d)整體形貌；(e)由γ/γ’相組成的ISZ微觀結構；

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

(i) DAZ微觀結構。

FGH98合金在相同的連接條件下，采用三種不同的連接方式進行擴散連接：(1)HEA箔的固態擴散連接（SSDB）， (2) BNi2中間層的瞬態液相連接（TLPB），以及(3)“BNi2/HEA/BNi2”中間層的夾層結構（在MICB過程中BNi2熔化，HEA保持固態）。這些DB方法產生了三種獨特的關節形態，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合金的高熱相穩定性和HEA導致的狀態擴散，緩慢的原子擴散導致結合質量有限，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，熔點抑制劑（MPD，即Si/B）在BNi2中間層中的擴散促進了近界面區域的重熔和凝固，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個夾層（引入4個初始界面），但未觀察到鍵合界面。