通过Ni-Co共沉积设计，针对纳米结构特性进行定制化工程处理，以实现高性能的Ti-Ni扩散焊接

《Journal of Materials Science & Technology》：Nanostructure-specific tailoring engineering toward high-performance Ti-Ni diffusion bonding via Ni-Co co-deposition design

本研究提出通过Ni-Co共沉积调控Ti-Ni异质结构，揭示Co原子占据Ni位导致晶格适应性变化，形成纳米孪晶和核壳结构，显著提升接头强度至407 MPa，并首次发现晶格适应性调控机制，为异种金属焊接提供新策略。

　　

王荫晨|丁志杰|秦志伟|毕晓阳|王继龙|李天宇|王金凯|史书燕|董洪刚|卢一平|佐藤裕隆|李鹏

大连理工大学材料科学与工程学院，中国大连116024

摘要

为了制造轻量化的航空发动机部件，开发高性能的Ti-Ni异质结构至关重要。然而，界面处脆性金属间化合物的形态和性能调控仍然极具挑战性。本文提出通过共沉积引入Ni-Co元素，以诱导晶格的适应性变化，从而调控Ti₂(Ni, Co)纳米孪晶和Ni_ss/Zr₇Ni₁₀核壳纳米结构的形成，实现了407 MPa的高性能扩散连接强度，并提升了89.3%的强度。具体而言，首次发现了Co原子在Ti₂Ni晶格中替代Ni原子的现象。这种行为削弱了滑移面上的原子共价性，显著降低了堆垛错能并增加了孪晶形成倾向，促进了从Ti₂Ni晶格向Ti₂(Ni, Co)纳米孪晶的适应性转变。此外，Co原子的引入降低了Ti₂Ni晶格的形成能，并平衡了Ti-Co和Co-Ni键的共价含量，从而增强了晶格韧性。同时，Ni的引入促进了Ni_ss/Zr₇Ni₁₀核壳纳米结构的形成，减缓了Ni_ss相的粗化，并利用Zr₇Ni₁₀相的高屈服强度通过相干界面发挥作用。分子动力学模拟表明，Ti₂(Ni, Co)/Ti₂(Ni, Co)界面的抗拉强度和应变率分别提升至16.23 GPa/16.36 GPa和12.3%/12.0%，使得断裂位置从界面转移到晶格内部，表明其断裂韧性得到增强。这种双尾纳米结构协同增强了位错储存能力和位错发射能力，实现了界面动态强化。本研究为高性能Ti-Ni异质结构的制备提供了途径，具有推广到其他异种金属系统的潜力。

引言

现代飞机开发中，航空发动机的可控制造仍是一个重大挑战，而具有轻量化和高比强度的Ti-Ni异质结构具有巨大潜力[1,2]。基于Ni的超合金因其优异的热强度、相稳定性和耐腐蚀性而被广泛应用于结构部件[3]。Ti₂AlNb合金作为一种经典的轻量化高温结构材料，具有出色的热性能和室温塑性，特别适合用于航空发动机部件[4]。因此，这些优点推动了实现Ti-Ni异种金属高性能焊接的新技术的发展。

Ti₂AlNb合金和基于Ni的超合金在物理化学性质上的巨大差异是实现高性能焊接的关键难题[5]。扩散连接以其优异的界面质量和结构精度而备受关注，为整体叶片和涡轮盘制造提供了有前景的方法[6]。然而，Ti和Ni原子在混合焓、晶体结构和晶格常数上的明显差异导致界面处不可避免地形成多种脆性且硬度高的金属间化合物（IMCs），严重降低了接头的机械性能，限制了其在航空航天领域的应用。

本质上，IMCs的高度有序结构严重阻碍了位错的形核和发射，而IMCs晶体结构的低对称性导致各向异性高，使得滑移系不足和应变硬化不足，成为显著障碍[8]。迄今为止，已采用多种方法对IMCs进行改性，包括多主成分设计和间隙原子的微合金化以促进晶格畸变，从而实现高强度和多位错[9,10]。受到自适应催化剂[11]和晶格生长异质结构中动态适应行为的启发，在扩散连接过程中诱导IMCs的晶格韧性、转变和旋转，以增强异种金属接头的性能是可行的。目前对IMCs形态调控的研究主要集中在控制IMCs层厚度[13]和构建微锁结构[14]上。构建IMCs的包覆结构和固溶体不仅利用了固溶体的优异位错形核和发射能力，还发挥了IMCs的高内在强度。上述结果表明，提出晶格适应性概念有望从多个角度协同调控IMCs的固有脆性，为高性能Ti-Ni异质结构的研究提供新途径。不幸的是，引入合适的刺激原子以促进晶格适应性变化并有效缓解IMCs的固有脆性仍具有挑战性。

在本研究中，通过Ni-Co共沉积引入Ni和Co刺激原子，诱导了基相的晶格适应性变化。提出了针对特定纳米结构的调控工程，以促进Ti₂(Ni, Co)纳米孪晶和Ni_ss/Zr₇Ni₁₀核壳纳米结构的形成。首次发现了Co原子在Ti₂Ni晶格中替代Ni原子的现象。综合精确实验、密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟揭示了Ti-Ni异质结构的本质起源和强化机制。本研究表明，通过晶格适应性变化调控纳米结构在促进Ti-Ni异质结构制备方面具有巨大潜力，对其他异种金属系统也具有应用前景。

实验部分

实验中使用了Ti₂AlNb合金和GH4169超合金作为真空扩散连接的基材，尺寸为15 mm × 15 mm × 5 mm。(TiZrHfNb)Al₅中间层通过真空电弧熔化制备，并抛光至210 ± 10 μm的厚度（图1(b)）。XRD图谱（图1(c)）证实中间层保持体心立方（BCC）晶体结构，计算晶粒尺寸约为109.03 nm（见支持信息中的公式(S2)）。基于先前的研究

未涂覆Ni-Co合金涂层的界面微观结构

未涂覆Ni-Co合金涂层的接头界面微观结构通过电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）进行了系统研究（图2），揭示了多种微观结构演变。根据图2(f)的映射结果，这些区域被划分为Cr富集相、(Fe, Nb)富集相和(Ti, Ni)富集相。靠近GH4169基材的区域包含Cr_ss和交替的Fe₂Nb相。

Co原子的占据行为

为了揭示Co原子占据位点的本质原因，本研究采用了球差校正透射电子显微镜（AC-TEM）在原子尺度上研究了涂覆NiCo合金的扩散连接接头。图6(a)展示了沿[$2\bar{5}3$]轴线获得的明场图像，显示出具有复杂面心结构的孪晶特征。相应的扫描TEM高角环状暗场图像

结论

总结而言，本研究通过纳米结构特异性调控工程解决了IMCs固有脆性的长期难题。通过Ni-Co共沉积，我们策略性地利用刺激原子实现了晶格的适应性变化，调控了双相纳米结构，实现了Ti-Ni的高性能扩散连接。主要成就包括：

(1) 首次揭示了Co原子介导的原子分布模式在复杂Ti₂Ni晶格中的作用。

CRediT作者贡献声明

王荫晨：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究，数据分析，概念化。丁志杰：方法学研究，数据分析，概念化。秦志伟：撰写 – 审稿与编辑，数据分析，概念化。毕晓阳：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，数据分析。王继龙：方法学研究，数据分析。李天宇：方法学研究，数据分析。王金凯：方法学研究，数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号2023YFB3407500）、国家自然科学基金（编号52375313和52075074）、航空科学基金（编号ASFC-20240011063001）、春晖计划（编号202200468）以及中央高校基本科研业务费（编号DUT24ZD202）的财政支持。技术支持来自辽宁重大机械制造协同创新中心和大连理工大学。