扩散连接温度与保温时间对B4C-HfB2-SiC复合陶瓷接头微观结构与强度的调控机制研究

本研究针对B4C-HfB2-SiC复合陶瓷连接难题，创新性采用Ti/NiCoCr中熵合金复合中间层，系统探究了扩散连接参数对界面微观结构与力学性能的影响。结果表明，1200°C/10min条件下接头抗弯强度达309MPa，揭示了界面反应相演变规律，为高性能陶瓷连接提供了新策略。

　　

在先进材料领域，B₄C-HfB₂-SiC复合陶瓷因其卓越的高温稳定性、超高硬度和优异抗腐蚀性，成为极端环境应用的理想候选材料。然而，这类陶瓷固有的脆性和难加工特性使其连接成为制约工程应用的瓶颈。传统钎焊技术易产生残余应力，而现有扩散连接方法又面临界面反应不可控、接头强度不足等挑战。如何实现高强度、无缺陷的陶瓷连接，成为材料科学家亟待解决的"卡脖子"问题。

针对这一难题，合肥工业大学材料科学与工程学院Langxiang Zhong团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表创新研究。研究人员独辟蹊径地采用Ti箔与NiCoCr中熵合金(Medium-Entropy Alloy, MEA)组成复合中间层，通过精确调控扩散连接参数，成功制备出无裂纹的冶金结合接头。这项研究不仅为陶瓷连接提供了新思路，更揭示了工艺参数-微观结构-力学性能的构效关系。

关键技术方法包括：采用热压扩散连接设备在不同温度（1000-1200°C）和保温时间（10-70min）条件下制备接头；通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征界面反应相；运用三点弯曲试验评估接头强度；结合能谱分析(EDS)解析元素扩散行为。

【扩散连接温度的影响】

研究发现当保温时间固定为10分钟时，接头强度随温度升高呈单调递增趋势。1000°C时接头强度仅为187MPa，而1200°C时达到峰值309MPa。微观分析表明，高温促进了Ti与B₄C的充分反应，形成连续均匀的TiB₂/TiC反应层，同时NiCoCr层发生动态再结晶，有效缓解了热应力。

【保温时间的影响】

在1100°C条件下，保温时间存在最佳窗口。10分钟时强度为256MPa，延长至30分钟升至281MPa，但继续延长至70分钟反而下降至203MPa。这是由于短时间无法完成充分扩散，而过长时间导致反应层过度生长产生脆性相。

【界面反应机制】

多尺度表征揭示了三阶段反应机制：首先Ti与B₄C反应生成TiB₂晶须和TiC颗粒；随后SiC分解出的Si与Ti形成Ti₅Si₃；最终NiCoCr层中的Co、Cr元素向陶瓷侧扩散形成固溶强化效应。这种分级反应结构实现了应力梯度过渡，是获得高强度接头的关键。

该研究通过建立"温度-时间- microstructure-properties"四维关系图谱，为高性能陶瓷连接提供了理论依据和工艺指导。特别值得注意的是，NiCoCr中熵合金的引入开创性地解决了传统金属中间层在高温下性能退化的问题，其独特的晶界钉扎效应和缓慢扩散特性显著提升了接头热稳定性。这项技术有望应用于航天热防护系统、核反应堆构件等高端装备制造领域，推动超高温结构材料的工程化应用进程。