纯铜中间层调控Ti-6Al-4V/Ni-Ti异质结构界面演化与力学性能的微观机制研究

《Materials & Design》：Microstructural evolution and mechanical properties of the heterogeneous structure of Ti-6Al-4V/Ni-Ti with pure Cu as an intermediate layer

本文推荐研究人员针对Ti-6Al-4V与Ni-Ti合金因物理化学性质差异大、易形成脆性金属间化合物(IMCs)而导致异质结构连接界面性能恶化的问题，创新性地采用多丝电弧增材制造(M-WAAM)技术，以纯Cu为中间层原位制备了Ti-6Al-4V/Ni-Ti异质结构。研究揭示了过渡层主要由Ti(Ni, Cu)、Ti2(Ni, Cu)和(Ni, Cu)2Ti相组成，界面处Ti2(Ni, Cu)析出相与Ti(Ni, Cu)基体存在特定晶体学取向关系。Cu中间层的引入有效抑制了脆性NiTi2相的形成，使界面硬度提升至512.6 HV0.2，异质结构平均极限抗拉强度达270 MPa，伸长率为6.5%，为实现高性能钛镍异质结构制造提供了理论依据和技术支撑。

　　

在航空航天、生物医疗等高端制造领域，材料性能的多元化需求日益迫切。Ti-6Al-4V合金因其低密度、高比强度和优异耐腐蚀性成为结构件的理想选择，而Ni-Ti形状记忆合金(SMAs)则以其独特的形状记忆效应和超弹性在功能器件中不可或缺。将二者结合形成异质结构，可实现力学性能与功能特性的耦合，有望显著提升航空航天器的推重比及复杂工况下的服役性能。然而，这对"天作之合"的联姻之路却充满挑战：两种合金热膨胀系数、导热系数等物理性质差异显著，连接界面易产生应力集中，更棘手的是，根据Ti-Ni二元相图，界面反应极易生成NiTi₂、Ni₃Ti等硬脆金属间化合物(IMCs)，这些相往往成为裂纹萌生源，导致界面性能急剧恶化。如何驾驭这桀骜不驯的界面反应，抑制脆性相生成，成为实现高性能Ti-6Al-4V/Ni-Ti异质结构的关键科学难题。近日，天津理工大学 Tianjin University of Technology 材料科学与工程学院的研究团队在《Materials 》上发表论文，报道了他们利用多丝电弧增材制造(M-WAAM)技术，通过引入纯铜中间层成功制备Ti-6Al-4V/Ni-Ti异质结构，并深入揭示了其界面微观结构演化规律与力学性能强化机制。

研究人员采用的多丝电弧增材制造(M-WAAM)系统主要包含钨极惰性气体保护焊(TIG)电源、焊枪、送丝机构、氩气保护装置及控制系统。以直径1.2 mm的Ti-6Al-4V、纯Ti、纯Ni和纯Cu焊丝为原料，在Ti-6Al-4V基板上先沉积Ti-6Al-4V层，继而沉积纯Cu中间层，最后通过同步送入纯Ti和纯Ni焊丝沉积Ni-Ti合金层。通过精确控制焊接电流（Ti-6Al-4V层120 A，中间层及Ni-Ti层100 A）、行进速度(150 mm/min)等工艺参数，实现了成分与结构的梯度过渡。利用光学显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)等手段分析了微观结构与物相组成，并通过显微硬度测试和拉伸试验评估了力学性能。

3.1. 微观结构演化

成分分析表明，Cu中间层的引入有效阻碍了Ti、Ni元素的直接扩散，抑制了NiTi₂脆性相的形成。过渡层物相主要以Ti(Ni, Cu)、Ti₂(Ni, Cu)和(Ni, Cu)₂Ti为主。Ti-6Al-4V与Cu中间层界面处存在约2.5 μm厚的反应层，由白色颗粒状Ti₂(Ni, Cu)析出相和深灰色α-Ti基体构成。随着沉积高度增加，微观结构经历从α-Ti + Ti₂(Ni, Cu)共晶组织到Ti(Ni, Cu)基体，并析出(Ni, Cu)₂Ti相，最终演变为Ti(Ni, Cu)基体上分布NiTi₂枝晶的演变过程。高分辨透射电镜(HRTEM)分析显示，Ti₂(Ni, Cu)析出相与Ti(Ni, Cu)基体之间存在清晰的界面过渡层(5-10 nm)，并存在因晶格失配和热应力导致的位错。选区电子衍射(SAED)进一步确认了二者之间存在(313)_{Ti2(Ni, Cu)}// (011)_{Ti(Ni, Cu)}和[5?6?3]_{Ti2(Ni, Cu)}// [02?2]_{Ti(Ni, Cu)}的晶体学取向关系。

3.2. 力学性能

显微硬度测试表明，异质结构的Ti-6Al-4V区域平均硬度约为331.5 HV_0.2，Ni-Ti区域约为292.9 HV_0.2，而Cu中间层反应区的硬度最高达到512.6 HV_0.2。硬度的显著提升主要归因于Ti₂(Ni, Cu)析出相的沉淀强化以及Ti、Cu、Ni原子半径差异引起的固溶强化。拉伸测试结果显示，该异质结构的平均极限抗拉强度为270 MPa，伸长率为6.5%。断口分析显示其断裂模式为韧脆混合型，断裂发生在Cu中间层靠近Ti-6Al-4V一侧，Ti₂(Ni, Cu)相的存在是导致微裂纹形成和试样断裂的主要原因。尽管如此，与使用Co、Pb等中间层相比，Cu中间层仍显著改善了界面塑性。

本研究成功通过M-WAAM技术结合纯Cu中间层制备了Ti-6Al-4V/Ni-Ti异质结构。研究阐明，过渡层主要由Ti(Ni, Cu)、Ti₂(Ni, Cu)和(Ni, Cu)₂Ti相构成；界面处Ti₂(Ni, Cu)析出相与Ti(Ni, Cu)基体存在特定的晶体学取向关系；Cu中间层的引入使界面硬度显著提升至512.6 HV_0.2；异质结构表现出270 MPa的平均极限抗拉强度和6.5%的伸长率。该研究通过调控界面反应，有效抑制了有害脆性相的形成，缓解了界面应力集中，为异质结构在航空航天、生物医疗等领域的应用提供了重要的理论与技术基础。Cu中间层的成功应用demonstrate了一条通过界面工程实现高性能金属异质结构制造的可行途径，对未来多功能一体化构件的设计与制造具有重要指导意义。