借助纳米级镍中间层的GH4169合金板材扩散焊接界面与强度分析

《Journal of Alloys and Compounds》：Analysis of the Interface and Strength of Diffusion Bonding for GH4169 Sheets Assisted by a Nanoscale Nickel Interlayer

扩散焊接GH4169合金时采用纳米镍中间层可提升结合率与强度，通过SEM、TEM等分析表明纳米层加速原子扩散、释放界面应变能并抑制脆性相形成，在1050℃/15MPa/90min条件下接头剪切强度达235.7MPa，为航空部件轻量化提供新方法。

　　

谭波宇|芮侯|甄璐|张成才|赵文辉|蒋少松

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，中国哈尔滨 150001

摘要

新一代高推重比航空发动机的开发在很大程度上依赖于采用镍基超合金制成的薄壁空心部件，以实现高端航空航天设备的结构轻量化，因此高质量扩散连接技术变得十分迫切。本研究旨在解决GH4169合金扩散连接过程中面临的关键问题，如界面结合率低、结合强度不足以及结构容易变形等问题。研究提出引入纳米级镍中间层来辅助GH4169合金的界面扩散和微观结构演变。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、电子背散射衍射（EBSD）和剪切测试等方法，系统地表征和分析了不同温度下接头的微观结构、元素分布和力学性能。结果表明，具有高密度晶界的纳米级镍中间层作为快速扩散通道和高能量驱动力的来源，显著促进了元素的相互扩散和界面应变能的释放，从而有效抑制了Kirkendall孔的形成以及δ-Ni?Nb等脆性相的析出。在1050?°C/15 MPa/90 min的条件下，接头的平均剪切强度达到了235.7 MPa。研究表明，纳米级镍中间层通过“加速扩散–应变释放–抑制脆性相”的协同机制，建立了界面修复的协同效应，为在相对较低的温度下实现GH4169合金组件的低变形和高质量连接提供了一种可行的方法。

引言

GH4169合金是一种典型的沉淀强化镍基超合金[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，由于其优异的高温强度、抗氧化性和耐腐蚀性[7]，[8]，[9]，[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，被广泛应用于航空发动机和航空轴承等关键部件中。然而，该合金基体中含有大量的固溶强化元素（如Ni、Cr和Fe）和沉淀强化元素（如Nb、Al和Ti），这导致其在传统熔焊过程中具有较高的裂纹敏感性。因此，钎焊和扩散连接被视为实现可靠连接的两种主要技术途径[17]。

在钎焊领域，研究人员系统地研究了各种钎焊填充金属系统的界面行为和性能[18]，[19]，[20]，[21]，[22]，[23]，[24]。例如，吴X等人[25]使用Ni–7Cr–3Fe–3.2B–4.5Si（重量百分比）焊料连接了Inconel 718和Inconel X-750。他们的研究重点揭示了钎焊缝区域脆性相形成的规律，为理解钎焊接头的微观结构演变提供了重要基础。扩散连接是一种能够实现原子级连接的固相连接方法，理论上可以产生结构均匀、成分一致的接头。然而，对于GH4169合金等高合金化材料，其原子相互扩散系数相对较低。传统的直接扩散连接需要较高的扩散温度和压力以及较长的保温时间，这不仅容易导致基体晶粒粗化以及组件变形，还常常伴随界面孔洞、焊接速率低和结合强度不足等问题[26]，[27]。一些研究人员通过添加中间层来改善界面结合。M. Ahamd等人[28]在Inconel 625合金中引入了Zr中间层，并研究了其对Cr和Mo偏析的抑制作用，为调节界面成分分布提供了有效参考。然而，微米级中间层的扩散动力学相对较慢，通常需要较高的温度和压力才能实现足够的界面结合，这在一定程度上限制了其在精密组件中的应用。

近年来，使用纳米结构材料作为中间层已成为提高扩散连接效率的前沿方向。张J.X.等人[29]通过脉冲电沉积方法在钛合金表面成功制备了厚度为5 μm的镍钴纳米中间层，作为TC4钛合金的扩散连接中间层。研究表明，纳米级中间层凭借其高密度晶界，在钛合金[30]，[31]，不锈钢[32]，[33]和TiAl合金[34]中表现出一定的纳米晶结构，可以促进扩散连接过程中的原子相互扩散，降低结合温度，抑制脆性金属间化合物的生长，改善接头结构并提高界面质量。然而，对于GH4169等高合金化镍基超合金，关于纳米级中间层对界面反应动力学、元素扩散和应变松弛行为的协同调控效应的系统研究仍较为缺乏。

基于此，本研究旨在系统阐明纳米级镍中间层在GH4169合金扩散连接中的作用机制。通过设计对比实验，并结合微观结构表征和力学性能测试，揭示了纳米结构对界面元素相互扩散、应变能量释放以及有害相析出行为的调控效应。这为在较低结合温度和压力下实现高性能接头提供了理论基础和实验支持，为其在复杂航空航天组件中的可靠应用铺平了道路。

样本制备

样品制备

本研究选用了厚度为2 mm的商用冷轧GH4169合金板（上海普盈金属科技有限公司提供）。其名义成分的质量分数（重量百分比）为：18.73Cr、18.68Fe、5.25Nb、3.02Mo、0.52Al、0.95Ti、0.03C和0.03Co，其余为Ni。以γ-Ni合金作为基底，主要的强化相包括γ'-Ni? (Nb, Al, Ti)、γ'-Ni? (Al and Ti)和δ-Ni?Nb（图1(a)）。合金的平均晶粒尺寸为...

GH4169合金镍箔中间层接头的微观结构分析

为了探讨中间层对GH4169合金扩散连接界面质量的影响机制，比较了未添加中间层和添加传统微米级镍箔（厚度30 μm）中间层的接头微观结构。如图3(a-c)所示，在未进行直接扩散连接的接头界面处存在明显的未焊接区域...

结论

本研究基于脉冲电沉积制备的纳米级镍中间层，系统研究了GH4169合金扩散连接界面的微观结构演变和力学性能。通过比较未添加中间层的接头和添加传统微米级镍箔中间层的接头，并结合扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）等多尺度表征方法...

CRediT作者贡献声明

赵文辉：资料收集。蒋少松：资料收集。谭波宇：验证。芮侯：撰写–审稿与编辑，撰写–初稿。甄璐：资料收集，项目管理。张成才：监督。

利益冲突声明

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致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52175297）的支持。