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SiC陶瓷与GH3536镍基超合金通过冷喷涂制备的Ti/Cu/Ni/Cu/Ti多层中间层连接，系统研究连接温度（900-920℃）和时间（5分钟）对微观结构和力学性能的影响。结果表明扩散偶结构显著提升元素互扩散效率，使所需温度降低，900℃/5分钟实现可靠连接，920℃/5分钟时剪切强度达63.94MPa。Cu-Ti液相促进润湿和结合，Ni层缓冲残余应力。摘要结束。
顾功|于伟远|王明康|李彦珍|梁鹏
兰州理工大学材料科学与工程学院，中国甘肃省兰州市730050
摘要
为了实现SiC陶瓷与镍基超级合金之间的可靠连接，从而充分利用两种材料的各自性能优势，通过冷喷涂技术制备了一种Ti/Cu/Ni/Cu/Ti多层中间层，并将其用于SiC与GH3536合金的连接。系统研究了连接温度和保持时间对接头微观结构和力学性能的影响，并分析了接头形成机制。结果表明，在连接过程中，冷喷涂中间层内部形成了扩散偶联结构。与基于Darken方程和Arrhenius方程的传统二元扩散偶联模型相比，这种结构显著增强了元素间的扩散，从而降低了所需的连接温度和保持时间。在900°C下保持5分钟时实现了可靠的连接；而在920°C下保持5分钟时，获得了63.94 MPa的最大剪切强度。进一步分析表明，连接过程中形成的Cu-Ti液相促进了润湿和结合，而Ni层则起到了应力缓冲作用，有效缓解了接头区域的残余应力。本研究为SiC陶瓷及其复合材料与镍基合金的连接提供了一种新的高效方法，并为陶瓷-金属异质材料的连接提供了新的见解。
引言
由于碳化硅（SiC）陶瓷具有高硬度、优异的高温稳定性、出色的化学惰性和良好的导热性[1]、[2]、[3]，因此在航空航天热端部件、核反应堆包壳材料和高性能电子设备等领域具有巨大的应用潜力。然而，其固有的脆性和低断裂韧性限制了其作为独立结构部件的使用[4]。相比之下，镍基超级合金GH3536因其优异的高温强度、抗氧化和耐腐蚀性能以及良好的加工性能[5]，被广泛用于制造在高温下工作的复杂形状的承重部件。因此，实现SiC陶瓷与GH3536合金之间的可靠连接，以构建结合两种材料优势的异质结构部件，在对高温和耐腐蚀性有严格要求的领域（如航空航天、核反应堆和工业高温炉）具有重要的工程意义。
目前，将SiC陶瓷与镍基超级合金连接的主要技术包括钎焊、扩散焊接、瞬态液相（TLP）焊接和自蔓延高温合成（SHS）焊接[6]、[7]、[8]、[9]。其中，TLP扩散焊接受到了广泛关注，因为它能够形成具有高熔点和高服务温度的接头。该过程通常使用由Cu、Ni和Ti等元素组成的复合中间层。当加热到连接温度（通常高于Cu-Ti或Ni-Ti系统的共晶温度，例如>880°C）时，中间层中的Cu和Ti（或Ni和Ti）发生反应，生成低熔点液相，有效润湿SiC和GH3536界面。在随后的等温保持阶段，随着Ni3Ti和Cu4Ti等高熔点反应产物的不断形成，中间层的熔点逐渐升高，最终在恒定温度条件下实现等温固化，形成以Ni3Ti、Cu4Ti和Cu基固溶体为主的高熔点金属间化合物（IMCs）为主的接头微观结构。由于最终接头微观结构主要由高熔点相组成，因此具有优异的高温服役能力。然而，传统的TLP中间层通常以混合粉末或预制箔的形式制备[10]、[11]、[12]。尽管基于粉末的填充剂易于制备，但它们往往存在成分均匀性差和流动性有限的问题，这可能导致界面反应失控以及形成过多且分布不均匀的脆性IMCs，从而降低接头性能[13]。预制箔虽然提供了更稳定的原子扩散路径，但由于中间层接触不足，通常需要在组装和焊接过程中施加相对较高的外部压力[14]、[15]，这不仅增加了工艺复杂性[14]、[15]，还需要较长的焊接时间（通常为30-150分钟）来完成熔化和等温固化，从而增加了接头材料性能下降的风险。
近年来，基于“气体动态加速-固态沉积”原理的先进涂层技术——冷喷涂（CS）为解决上述问题提供了新的方法[16]。与广泛用于中间层制备的技术（如高速氧燃料（HVOF）喷涂、等离子喷涂、基于光聚合的增材制造和传统热喷涂[17]、[18]、[19]、[20]）相比，冷喷涂通过高速固体颗粒的塑性变形实现沉积。这从根本上避免了材料熔化，从而有效抑制了活性元素（如Ti）的氧化以及不希望发生的过早冶金反应[21]、[22]、[23]。更重要的是，冷喷涂工艺具有四个显著优势：（1）高速颗粒冲击引起的压缩应力强化效应使得沉积层致密、孔隙率低，并在涂层内部和涂层-基底界面处形成紧密的结合[24]、[25]；（2）整个沉积过程在相对较低的温度下进行，对基底的热影响最小；（3）它提供了极高的成分设计灵活性，可以方便地构建复杂的多层和梯度结构；（4）沉积的中间层与基底具有优异的界面结合强度。由于这些独特的优势，冷喷涂已成为制备TLP中间层的一种非常有前景的方法，并已在Cf/SiC复合材料与GH3536合金的连接系统中取得了初步成功[26]、[27]、[28]。
然而，关于冷喷涂多层中间层在TLP焊接中的作用仍缺乏系统和深入的研究，特别是在它们对连接过程中原子扩散动力学的影响以及IMCs的形成和演变方面。与传统基于粉末或箔的中间层相比，冷喷涂制备的多层结构如何调节界面反应、减少连接所需的热输入并最终提高接头性能仍是一个尚未明确的科学问题。
为此，本研究通过冷喷涂制备了一种Ti/Cu/Ni/Cu/Ti多层中间层，并将其用于SiC陶瓷与GH3536超级合金的TLP焊接。通过系统研究连接温度和保持时间对接头微观结构和力学性能的影响，深入阐明了冷喷涂多层中间层辅助的连接机制。这项工作不仅旨在开发一种高效可靠的SiC与GH3536连接新工艺，还旨在为理解冷喷涂衍生结构在异质材料连接中的强化机制提供理论基础，从而推动陶瓷-金属连接技术的发展。
实验材料和冷喷涂沉积过程
本研究选择了无压烧结的SiC陶瓷（由福州昆鹏光电科技有限公司提供）和GH3536镍基超级合金（由上海固生冶金科技有限公司提供）作为连接材料。使用长沙天久金属材料有限公司提供的粒径范围为15-53 μm（D50 = 40 μm）的球形Ti、Cu和Ni粉末，在GH3536表面制备了Ti/Cu/Ni/Cu/Ti多层中间层
冷喷涂Ti/Cu/Ni/Cu/Ti中间层的微观结构和相组成
本研究通过使用球形Ti、Cu和Ni粉末，成功制备了Ti/Cu/Ni/Cu/Ti五层中间层。图2(a)显示了沉积中间层的截面SEM图像。中间层的总厚度约为1 mm，沉积面积为60 mm × 50 mm。可以看出，相邻层之间的界面清晰明确，没有观察到明显的裂纹。整体结构致密，孔隙率约为6.6%
扩散系数和IMCs厚度的计算
冷喷涂的Ti/Cu/Ni/Cu/Ti中间层与GH3536基底以及相邻层之间紧密接触，在连接过程中形成了扩散偶联结构。在这些扩散偶联中，Cu-Ti和Cu–Ni体系可以被视为二元扩散体系。鉴于GH3536中的Ni含量高达约70 wt.%，后续计算中忽略了其他次要合金元素的影响，Ti与GH3536之间的扩散过程结论
本研究采用冷喷涂技术在GH3536镍基超级合金基底上构建了Ti/Cu/Ni/Cu/Ti多层中间层，以实现SiC陶瓷与GH3536的连接。系统研究了连接温度和保持时间对界面微观结构演变和力学性能的影响。主要结论如下：
- (1)
通过冷喷涂成功制备了致密、连续且可结构设计的Ti/Cu/Ni/Cu/Ti多层中间层，实现了可靠的
CRediT作者贡献声明
于伟远：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取。顾功：撰写 – 原稿撰写、可视化、软件应用、方法学设计、实验研究。梁鹏：数据验证、数据处理。李彦珍：数据验证、软件应用。王明康：数据验证、方法学设计
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。
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
作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：5226010024）提供的财政支持。
