不同镍（Ni）或铜（Cu）中间层组合（泡沫状或致密状）对等静压石墨/Ti6Al4V钎焊接头微观结构和力学性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Effect of different Ni or Cu interlayer combinations (foam or dense) on the microstructure and mechanical properties of isostatically pressed graphite/Ti6Al4V brazed joints

等静压石墨与Ti6Al4V合金通过Ti-Zr-Cu-Ni钎料及不同金属箔/泡沫中间层实现真空钎焊连接，Ni泡沫中间层获得最高剪切强度（33.49±2.20 MPa）。显微分析显示石墨/Ni泡沫接头产物包含TiC/NiTi<2>等稳定相，有限元模拟揭示接头存在石墨-钎料界面应力集中，泡沫结构通过塑性变形缓解残余应力。

　　

肖一峰|邓轩|张瑞|李月|何俊杰|张倩坤|吴亮

湘潭大学机械工程与力学学院，中国湘潭411105

摘要

在本研究中，通过使用四种不同的中间层（Cu箔、Cu泡沫、Ni箔和Ni泡沫），成功实现了等静压石墨与Ti6Al4V合金的真空钎焊。钎焊过程中使用了Ti-Zr-Cu-Ni非晶填充材料，该材料在1193.15 K的温度下保持10分钟。对每个接头的微观结构、元素扩散和断裂特性进行了详细分析。观察到含有Ni泡沫中间层的接头中的反应产物为：石墨/(Ti,Zr)C/NiTi₂ + Ni(泡沫) + (Cu,Ni)Ti₂ + [Ti(s.s) + (Ni,Cu)(Ti,Zr)₂]/ α-Ti(s.s) + (Cu,Ni)Ti₂/ Ti6Al4V。该接头的最大剪切强度为33.49 ± 2.20 MPa，超过了其他接头配置的强度。采用有限元模拟方法研究了接头中的残余应力，发现接头中石墨-填充材料连接表面存在一个薄弱区域。这些发现为通过使用镍泡沫中间层优化石墨/Ti6Al4V接头提供了有价值的见解。

引言

等静压石墨因其低密度、高熔点、低摩擦系数、良好的导电性以及出色的高温性能而在航空航天和原子能行业中得到广泛应用[1]、[2]、[3]。在各种应用中，总是需要适当的连接方法将其与金属结合，以有效增强复合结构的性能[4]、[5]、[6]、[7]。例如，多孔石墨已与钛结合，用于现代设备和系统的有效热管理[8]。此外，碳材料-Ti6Al4V合金部件被用于火箭发动机，这充分展示了钛合金的轻量化、高强度和优异的耐腐蚀性[9]、[10]。因此，研究等静压石墨与Ti6Al4V的可靠连接方法是非常必要的。

目前，将碳材料与钛基合金连接的多种方法包括钎焊[11]、扩散键合[12]、瞬态液相键合[13]等。其中，钎焊技术被认为是最有前景的方法之一[14]。例如，段等人[15]使用三种铜基钎焊填充金属（Cu-22TiH₂、Cu-50TiH₂和Cu-30TiH₂-5Ni）实现了石墨与Ti6Al4V合金的连接。由于这两种材料在物理性质、化学性质和机械性质上存在较大差异，因此在连接过程中，首先面临的问题是钎焊填充金属难以同时润湿两种基材[16]。在大多数情况下，使用含钛的活性填充金属可以通过与石墨反应形成稳定相来有效解决这一问题。Ag-Cu-Ti填充金属[17]、[18]和Ti-Zr-Cu-Ni填充金属[19]已被用于碳材料-钛基合金的钎焊系统中。然而，AgCuTi填充金属的相对较低熔点和较差的抗氧化性使其钎焊接头难以在500°C的高温下正常工作[19]。因此，本研究采用了Ti-Zr-Cu-Ni非晶箔钎焊填充金属。

另一个关键问题是等静压石墨（α_Gr=3.5×10^-6K^-1）与Ti6Al4V合金（α_Ti6Al4V=8.6×10^-6K^-1）之间的热膨胀系数（CTE）不匹配，这会产生残余应力[20]。这些高残余应力通常位于钎焊接头的结合区域，难以消除，从而严重降低接头的机械性能。现有研究中，常见的缓解钎焊接头残余应力的方法包括添加金属中间层[18]、[21]、填充金属的增强相[10]、[22]、热膨胀匹配层[23]、冷喷涂的柔性层[24]和相变颗粒[25]到钎焊缝中。例如，赵等人[23]研究了(CoFeNiCrMn)₈₈ Nb₁₂高熵合金焊料在Er₂Si₂O₇ + MoSi₂陶瓷系统上的界面润湿行为，发现液态高熵合金填料中的Nb元素扩散到界面并与陶瓷侧的Er和O元素反应形成ErNbO₄相。这一相将润湿角降低到23.12°，并将界面结合能提高了17%至18%。这种结构通过低晶格失配缓冲焊料与陶瓷之间的热膨胀差异和应力集中，从而增强了界面结合强度。马等人[21]研究了难熔金属Nb或Ta中间层对石墨/Ti6Al4V接头的影响，证明加入这些中间层有助于缓解接头中的残余应力，使接头的剪切强度从15.9 ± 1.1 MPa（无中间层）提高到21.0 ± 2.7 MPa（含Nb）和20.2 ± 3.1 MPa（含Ta）。周等人[10]展示了使用纳米-Al₂O₃增强的Ag-Cu-Ti复合填充金属连接C/C复合材料和TC4合金的方法，纳米-Al₂O₃对Ti-Cu层的抑制作用改善了接头的性能。

尽管已有大量相关研究，但当金属中间层引入钎焊缝时，它们很难均匀分布，这常常会形成有害的界面，从而加速裂纹的形成和扩展[26]。同样，如果使用大量较硬的增强相，会促进增强相周围脆性相的发展，增加钎焊接头的断裂风险[16]。最近，泡沫材料因其独特的三维多孔结构和良好的塑性变形能力成为钎焊领域的研究热点[27]。泡沫材料中间层可以通过塑性变形平衡基材之间的CTE差异，其连续的通孔结构还可以进一步优化钎焊缝中相的分布，防止形成大的脆性相[28]、[32]。郭等人[28]验证了镍泡沫作为缓冲层的作用，其加入使Si₃N₄/Invar接头的断裂位置从陶瓷转移到钎焊缝中，改善了接头的机械性能。王等人使用Nb泡沫作为中间层连接Ti2AlNb和Ti60合金，促进了钎焊缝中38.5% Ti4Nb相的原位形成，钎焊接头的界面结合剪切强度达到了414.6 MPa，比仅使用Ti-36.5Zr-10Ni-15Cu-0.5Co-0.5Nb非晶填充材料的接头高出约18%。赵等人[30]在(CoFeNiCrMn)88Nb12中间层中加入了MoNi泡沫，发现钎焊缝中形成了大量的MoNiSi相，降低了整体热膨胀系数，使钎焊接头中的应力分布更加均匀。此时，钎焊接头的残余应力最低，仅为350 MPa，比仅使用CoFeNiCrMn填充材料的接头低32%。同样，张等人[31]将Cu泡沫集成到Ti3SiC2/Ti2AlNb钎焊接头中，有效分散了连续的TiCuSi金属间相，使Ti3SiC2/Ti2AlNb钎焊接头的最大剪切强度提高了76%。在这种配置下，脆性的TiCuSi金属间相分散在坚韧的基体中，提高了抗裂性，表明添加Cu泡沫可以改善钎焊接头的机械性能。王等人[32]使用三维石墨烯增强铜泡沫（G-Cu泡沫）复合材料作为C/C复合材料和Nb之间的中间层，展示了石墨烯和铜泡沫的协同强化效果，接头的平均剪切强度达到了43 MPa。

根据现有统计，关于使用泡沫材料缓解等静压石墨/Ti6Al4V合金接头残余应力的研究较少。因此，本研究使用Ti-Zr-Cu-Ni非晶箔作为钎焊填充金属，获得了可靠的等静压石墨与Ti6Al4V合金接头。分别使用密度较大的金属Ni、Cu、镍泡沫和铜泡沫作为中间层，并分析了泡沫材料对钎焊接头微观结构的影响。同时结合了之前的研究[32]、[33]，采用有限元方法（FEM）模拟接头中的残余应力，并进一步讨论了接头的机械性能和断裂特性。

实验方法

在本研究中，等静压石墨被切割成8 mm × 8 mm × 5 mm的尺寸，Ti6Al4V合金被切割成15 mm × 8 mm × 5 mm和25 mm × 8 mm × 5 mm的尺寸。它们在室温下的性能见表1。实验中使用的钎焊填充材料是厚度为40 μm的Ti-Zr-Cu-Ni非晶箔，其化学成分和钎焊条件见表2。还使用了Ni箔、Cu箔、Ni泡沫和Cu泡沫作为中间层。

有限元模拟

基于ANSYS软件开发了一个三维（3D）热弹性有限元模型，用于预测等静压石墨/Ti6Al4V合金接头中的残余应力。采用热机械耦合物理场模拟接头从1193.15 K冷却到室温的过程。如图3所示，钎焊接头的几何模型基于实验设计，包含五个部分：等静压石墨 - 填充材料 -

在接头中加入Cu箔或Cu泡沫作为中间层

图4展示了使用Ti-Zr-Cu-Ni钎焊填充材料和Cu中间层（无论是箔形式还是泡沫形式）在1193.15 K下钎焊10分钟后，等静压石墨/Ti6Al4V合金接头的微观结构和XRD分析结果。图4(a)中显示的紧密结合接头表明，Ti-Zr-Cu-Ni填充材料对等静压石墨和Ti6Al4V合金都具有优异的润湿性能。

结论

通过在1193.15 K下钎焊10分钟，成功地将等静压石墨和Ti6Al4V合金连接在一起。这是通过在Ti-Zr-Cu-Ni钎焊材料中加入Cu箔、Cu泡沫、Ni箔或Ni泡沫的层状结构实现的。这种方法有助于提高界面的连接强度和整体接头强度。本研究的结果表明

作者贡献声明

何俊杰：验证、调查、数据管理。李月：撰写 – 原稿撰写、调查、数据管理。吴亮：可视化、验证、方法论。张倩坤：可视化、验证、方法论。肖一峰：撰写 – 原稿撰写、项目管理、调查、数据管理。张瑞：撰写 – 原稿撰写、验证、数据管理。邓轩：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、调查、数据管理

利益冲突

作者声明他们没有已知的竞争性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竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。