哈工大宋晓国教授团队在陶瓷基复合材料与难熔金属连接领域取得重要研究进展
文章导读
既要承受极端高温，又要实现异种材料的高质量连接，这在航空航天领域长期被钎焊温度过高和脆性相析出所困扰。哈工大宋晓国团队创新提出半固态钎焊策略，利用CoCrFeNiCux高熵合金钎料，在1180℃下实现40.2MPa室温连接强度，更在800℃下出现强度不降反升的异常强化效应，并借助有限元模拟揭示了应力释放路径。这一突破能否为热端部件制造开辟新路径？
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（刘培香 张玉芹/文）近日，材料结构精密焊接与连接全国重点实验室宋晓国教授团队在陶瓷基复合材料与难熔金属的高温连接领域取得重要研究进展。相关成果以《基于CoCrFeNiCux高熵合金钎料的半固态钎焊：C/C-SiC复合材料与TZM合金的界面组织、力学性能及连接机理》（Semi-solid Brazing via CoCrFeNiCux High-entropy Alloy Fillers: Interfacial Microstructure, Mechanical Properties, and Joining Mechanism of C/C-SiC Composites and TZM Alloy）为题，发表在《先进复合混合材料》（Advanced Composites and Hybrid Materials）上。
在航空航天领域，轻质、高强且耐高温的零部件需求日益紧迫。C/C-SiC复合材料因其卓越的高温性能、低热膨胀系数和出色的机械强度而备受青睐。然而，要实现这种陶瓷基复合材料与TZM（钛锆钼）难熔合金之间的高质量连接，依然面临着钎焊温度过高、冶金兼容性差以及易析出脆性相等严峻挑战。
为突破这一瓶颈，研究团队创新性地提出了一种“半固态钎焊”策略。该研究开发了一系列CoCrFeNiCux高熵合金钎料，利用其独特的“双吸热峰”熔化行为，构建了一个可调控的半固态窗口。在该窗口下，钎料中的富铜液相不仅确保了良好的流动性和润湿性，还有效抑制了界面处过度的化学反应。
研究发现，该复合钎料在连接过程中表现出优异的组织演化特性：在TZM合金侧，通过化学势驱动的元素替代形成了连续的μ-Co7Mo6层；在复合材料侧，则生成了M7C3反应层和含石墨、SiC、Cu3Si的分解区。实验结果表明，在1180 ℃下钎焊15分钟获得的接头室温剪切强度达到40.2MPa。尤为引人注目的是，该接头表现出“异常强化”效应，在800℃下的强度不降反升，这主要归因于高熵合金钎料在高温下的良好塑性释放了接头的热残余应力。
此外，团队结合有限元模拟（FEM）深入揭示了应力分布与断裂机理，证实了法向应力是导致接头失效的关键因素，并明确了600-800℃区间内残余应力的有效释放路径。该研究为陶瓷基复合材料与难熔合金的异质连接提供了全新的设计思路和理论支撑。
目前，团队正致力于进一步优化钎料组分，探索该技术在极端高温环境下的长期服役稳定性，以期推动先进材料连接技术在航空航天热端部件上的工程化应用。
哈工大为论文第一通讯单位。威海校区材料科学与工程学院博士研究生周文龙为论文第一作者。威海校区大型仪器设备测试与管理中心高级工程师胡胜鹏和材料科学与工程学院付伟教授为论文共同通讯作者，韩国浦项科技大学金亨燮（Hyoung-seop Kim）教授参与相关研究工作。该研究工作得到国家自然科学基金联合基金重点支持项目、山东省自然科学杰出青年基金、哈工大青年科学家工作室资助。
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