通过表面改性和原位TiC增强来强化C/C-GH5188接头

《Materials Characterization》：Strengthening C/C-GH5188 joints by surface modification and in-situ TiC reinforcements

C/C复合材料与GH5188超合金通过表面修饰与颗粒增强TLP扩散焊结合，采用Co-Fe-B及(Co-Fe-B)+Ti粉末实现，形成致密的Cr3C2/Cr23C6改性层，显著提升润湿性并引入TiC增强相，接头最高剪切强度达55.7 MPa，较传统方法提高21.9%。

　　

王永磊|王萌|郎振倩|尹丹青|王万里|周家琛|宋敏蕾

河南科技大学光超合金国家重点实验室，洛阳 471000，中国

摘要

本研究提出了一种新的连接碳-碳（C/C）复合材料和GH5188超合金的方法，该方法结合了表面改性和颗粒增强中间层。采用共晶Co-Fe-B粉末以及（Co-Fe-B）+ Ti混合粉末来连接经过铬碳化物改性的C/C复合材料（记为C/C_m）和GH5188超合金。通过嵌入技术在C/C复合材料表面制备了一层由Cr₃C₂和Cr₂₃C₆组成的连续铬碳化物改性层。该铬碳化物改性层显著提高了熔融填充材料在C/C复合材料表面的润湿性。C/C_m/中间层界面主要由具有分散碳化物的韧性（Co）固溶体构成，有效缓解了界面脆化问题。硼（B）含量的降低和共晶组成的变化促进了Co-Fe-B基体的快速等温凝固。Ti粉末的引入通过与碳原子的反应在原位形成了TiC增强相，这对减轻C/C/中间层界面处的拉伸应力起到了关键作用。C/C_m-(Co-Fe-B) + Ti-GH5188接头达到了最大剪切强度55.7 ± 4.9 MPa，比C/C_m-(Co-Fe-B)-GH5188接头提高了14.8%，比使用未改性的C/C复合材料连接的接头提高了21.9%。

引言

碳纤维增强碳复合材料（C/C复合材料）因其出色的高温强度和极低的密度而在航空航天和核能领域被视为有前景的碳基材料[1]、[2]、[3]。然而，由于制备过程复杂以及C/C复合材料本身的脆性[4]、[5]，将其加工成复杂形状或大尺寸部件非常困难。因此，以Co为基础的超合金因其优异的高温性能、耐腐蚀性和可加工性而被广泛用于关键航空航天结构中，如航空发动机部件和工业燃气轮机[6]、[7]。因此，C/C复合材料与Co基超合金之间的连接对于满足航空航天设备的轻量化要求具有重要意义。

C/C/Co基超合金接头通常用于极端服役环境，工作温度可能超过1200°C，因此要求接头具有超高的耐温性能[8]。此外，C/C/Co基超合金接头还应用于高科技航空航天领域[9]，因此也需要接头具有优异的机械性能。

瞬态液相（TLP）扩散连接技术通过“低温连接/高温服役”的特性，为制备高性能接头提供了一条有前景的途径。该技术特别适合在较低连接温度下获得具有高温耐性的接头[10]、[11]、[12]。Yang等人使用AgCuNiLi实现了C/C复合材料与Ti₃Al合金的TLP扩散连接[13]。Wang等人采用CuTi+C + Ni复合填充材料作为中间层，基于TLP和部分瞬态液相（PTLP）扩散连接技术连接了C/SiC复合材料和超合金[14]。他们的研究结果表明，在连接过程中液相中间层经历了等温凝固，并且在较低的连接温度下获得了具有高温耐性的接头。尽管TLP连接技术具有优势，但仍然面临两个持续存在的挑战：常见钎焊基体（如Ag或Cu）的耐热性不足，以及长时间暴露在高温下可能导致界面脆化。因此，设计一种新型填充材料以调节界面反应行为并实现“低温连接/超高温服役”是C/C复合材料与Co基超合金TLP扩散连接的有效策略。

在我们之前的研究中，使用了共晶Co-Fe-B进行C/C复合材料与GH5188超合金的TLP连接[15]。共晶成分中的B元素向外扩散促进了接头的快速等温凝固。然而，接头的最大剪切强度仍仅为48 MPa，表明仍有很大的提升潜力。为了获得具有优异机械性能的C/C-金属接头，当前的研究主要集中在两个方面：一种是提高C/C复合材料一侧的界面连接强度[16]、[17]；另一种是缓解由于基底之间的热膨胀系数（CTE）不匹配引起的热应力[18]、[19]、[20]。

C/C复合材料与金属接头的薄弱区域通常位于C/C复合材料与连接层之间的界面反应层[21]。已经报道了几种提高C/C-连接层界面强度的方法。Guo等人在C/C复合材料表面加工了锯齿形三角槽，锯齿形槽接头的剪切强度达到了31 MPa，比平面C/C复合材料接头高出65.8%[22]。Wang等人在C/C/中间层界面表面插入了高强度的W和Mo纤维，提高了接头的剪切强度，插入纤维后的接头最大剪切强度是无纤维插入接头的2.14倍[23]、[24]。Pietro等人通过C/C复合材料与Cr粉末的高温固相反应在C/C复合材料表面制备了一层铬碳化物改性层，该改性层可以有效提高钎焊的润湿性，从而改善接头的机械性能[25]。可以推断，对C/C复合材料进行加工或表面改性可以有效提高接头连接强度。然而，与改性处理相比，加工方法相对复杂，可能会损坏C/C复合材料的纤维编织结构。

复合钎焊，包括反应复合钎焊，是一种基于传统钎焊技术发展的连接方法[26]、[27]。它通过引入低CTE的增强相（如TiC[26]、TiB[27]和SiC[28]）来缓解接头的热应力，这些增强相直接添加到填充材料中或在钎焊过程中在中间层合成。Wang等人使用TiC增强的AgTi填充材料将C/C复合材料钎焊到镍基超合金上，实现了68%的剪切强度提升[29]。同样，Zhang等人使用金刚石增强的Ag-Cu-Ti填充材料将C/C复合材料连接到不锈钢上，实现了200%的强度提升[30]。通过向连接层引入增强相，使连接层的CTE调整到两个基底之间的中间值，从而实现了缓解接头热应力的目标[31]。

基于上述分析，为了获得更可靠的C/C-Co基超合金接头，采用了共晶Co-Fe-B合金粉末以及Co-Fe-B和Ti的混合粉末（记为（Co-Fe-B）+ Ti）来连接经过铬碳化物改性的C/C复合材料（记为C/C_m）和GH5188超合金。本研究中的连接方法结合了表面改性、复合钎焊和TLP连接的优点。铬碳化物改性层显著提高了Co-34.6Fe-4.5B填充材料在C/C复合材料表面的润湿性。Ti粉末的添加促进了与C/C复合材料中的碳发生原位反应，形成了TiC增强相。共晶Co-34.6Fe-4.5B通过熔融还原元素B的扩散显著提高了连接层的耐热性。系统研究了C/C_m-Co基超合金接头的微观结构和界面演变机制。探讨了改性时间、连接温度、保温时间和Ti添加量对接头微观结构的影响，并详细讨论了接头的剪切强度和耐热性。

实验程序

本研究中使用的基材为2.5D C/C复合材料（图1(a)）和GH5188 Co基超合金。GH5188的名义组成为20.0–24.0 Cr、20.0–24.0 Ni、13.0–16.0 W、≤3.0 Fe、≤1.25 Mn和平衡量的Co（重量百分比）。C/C复合材料和GH5188分别切割成5 × 5 × 5 mm³和10 × 10 × 4 mm³的尺寸。所有连接表面均使用SiC砂纸打磨，并随后用酒精进行超声波清洗。本研究中使用的连接填充材料为共晶

铬碳化物改性层的微观结构

图2展示了在C/C复合材料表面合成的改性层的微观结构。如图所示，形成了一层连续且致密的改性层，与C/C基材的粘附性非常好。随着改性时间从0.5小时增加到3小时，改性层的厚度逐渐从7.5 μm增加到20.9 μm，如图2(a)-(d)所示。XRD和TEM结果（图3）表明，改性层主要由Cr₃C₂和Cr₂₃C₆组成

接头断裂行为分析

进行了断裂表面分析以确定失效位置，如图17所示。所选样品的剪切强度最高，来自图14。图17(a)显示了C/C_m复合材料侧的断裂形态。在纤维垂直于界面的区域（垂直纤维区），许多纤维被拉出并形成了凹坑。考虑到纤维本身的高韧性，观察到的凹坑可以归类为韧性凹陷。

结论

为了提高连接填充材料在C/C复合材料表面的润湿性并缓解接头热应力，使用了（Co-Fe-B）+ Ti填充材料来连接经过铬碳化物改性的C/C复合材料和GH5188超合金。根据结果和讨论，可以得出以下结论：

(1)

通过嵌入方法获得了一层由Cr₃C₂和Cr₂₃C₆组成的连续铬碳化物改性层。其厚度从7.5 μm增加到20.9 μm，因为C/C复合材料在1200°C下进行了改性

CRediT作者贡献声明

王永磊：撰写——原始稿件，项目管理，资金获取，概念构思。王萌：撰写——原始稿件，资源准备，数据管理。郎振倩：资源准备，实验研究，数据管理。尹丹青：监督，正式分析。王万里：撰写——审稿与编辑，资金获取。周家琛：撰写——审稿与编辑，软件应用。宋敏蕾：撰写——审稿与编辑，软件应用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：52405354和52205327）、河南省科技研究项目（编号：252102230057）以及河洛青年人才支持项目（编号：2025HLTJ30）的研究支持。