原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Mu R, Wang Y, Niu S, et al. Excellent high-temperature strength of (HfZrTiTaNb)C high-entropy carbide diffusion-bonded joint via in-situ alloying of Ni/Nb/Ni composite interlayer. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(1): 9221010. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9221010. 

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9221010

ResearchGate：Excellent high-temperature strength of (HfZrTiTaNb)C high-entropy carbide diffusion-bonded joint via in-situ alloying of Ni/Nb/Ni composite interlayer (sciopen.com)

1、导读

为推动高熵碳化物（HEC）在极端环境领域的应用，制备高温服役的接头至关重要。但HEC高温稳定和迟滞扩散导致其固态连接困难，而引入大量液相加速扩散则导致低熔点相生成，制备高温接头难度大。本文设计Ni/Nb/Ni层形成共晶液膜，通过精准控制液相量，原位构建高熔点Nb₂Ni，与HEC实现高质量连接。接头在1000°C的强度不低于其室温强度，比HEC/Ni/HEC扩散焊接头提高49%，服役温度甚至与焊接温度相当。这项研究为HEC高温服役结构制备提供新思路。

2、研究背景

新型高熵碳化物陶瓷（HEC）凭借其高硬度、强度和优异的高温抗氧化性等优势在航空航天飞行器、核反应堆等极端环境的关键结构部件中极具应用潜力。由于高温烧结HEC难以直接获得大尺寸和复杂形状，制造可靠的HEC接头并使其与HEC基体的卓越性能相匹配是进一步推进HEC工程应用的关键。在此过程中，不断提高HEC接头的服役温度以适应更苛刻的极端热环境一直是追求的目标。除了HEC与其自身的连接界面，HEC与各类金属或合金的连接结构和界面行为也受到关注。然而，HEC陶瓷的迟滞扩散特性决定了HEC的固相连接需要在高的工艺温度下进行，通过引入液态合金能够降低连接温度，但大量低熔点的金属间化合物的存在会严重降低接头的使用温度和高温服役可靠性。因此，实现面向高温服役的高强度HEC接头一直面临挑战。

3、文章亮点

(1) 基于高熵碳化物陶瓷的反应稳定特征和迟滞扩散效应，提出了精确控制辅助液膜加速高熵界面的原子互扩散，在HEC接头原位构建高熔点界面产物实现高质量连接的设计思路。通过设计Ni/Nb/Ni层中的Ni厚度并协同温度-压力工艺匹配，获得具有高熔点界面产物的HEC扩散连接接头。

(2) 在界面成形过程中，Ni-Nb共晶液相的形成和挤出循环进行，界面处的辅助液膜加速Ni原位合金化Nb层形成Nb₂Ni，直到提供Ni原子的Ni₃Nb层完全消耗。此时液膜接触HEC并促进其与Nb₂Ni层之间的元素扩散，由此形成具有(13) _HEC//(141) _Nb2Ni取向关系的HEC/Nb₂Ni界面。

(3) 在连接温度1250°C、保温时间60min、连接压力10MPa的工艺下，制备的HEC/Nb₂Ni/HEC接头的室温抗剪强度为174MPa。接头在800-1000°C下的抗剪强度略高于其室温强度，比HEC/Ni/HEC扩散焊接头提高49%。服役温度几乎与接头连接温度相当。

4、研究结果及结论

具有富Nb界面产物的HEC接头的界面显微组织（图1）表明，界面结合良好，无裂纹和孔隙等缺陷。接头的界面组织主要由Nb₂Ni组成，Nb₂Ni相中检测到少量来源于HEC的Ta原子。在连接压力下，剩余的Ni-Nb液相被挤出连接区，界面未形成低熔点的共晶化合物。在连接过程中，靠近界面处的HEC直接与Nb₂Ni层通过原子扩散实现冶金连接，而不是与辅助液膜相互作用。

图1：HEC接头界面的典型显微组织（1200ºC/60min/10MPa）：(a-b) SEM图，(c) 沿(a)所示路径的EDS线扫描结果，(d-i) 元素分布图

接头界面的TEM分析（图2）展示了HEC与原位构建的Nb₂Ni相的冶金连接界面。靠近界面的HEC保持单一的FCC固溶体相，Nb₂Ni相的晶体结构符合Fd 3m (227)立方结构，且HEC/Nb₂Ni界面具有(13) _HEC // (141) _Nb2Ni的取向关系，计算的晶格错配度为0.044，表明该界面的可靠连接。

图2：HEC与Nb₂Ni界面的TEM分析：(a-b) 明场TEM图，(c) 界面的SAED图，(d) 不同元素在沿(b)中虚线方向的分布

该界面连接结构的形成条件是：连接温度1200-1250°C、保温时间60min、连接压力10MPa，Nb原子比例64 at.%以上。从图3中可以看出，当引入10μm的Ni原位合金化60μm的Nb层时，得到原位合金化的富Nb基界面产物以及其与HEC扩散结合形成的HEC/Nb₂Ni界面；当连接温度降低至1150°C或原始Ni层的厚度增加至20μm时，共晶液相的形成和挤出过程无法完全消耗接头界面连接区域的Ni基化合物，接头中HEC/Nb₂Ni的界面结构转变为HEC/Ni₃Nb。

图3：Ni厚度对HEC接头界面结构的影响（1200ºC/60min/10MPa）：(a) 10μm，(b) 20μm，(c) 30μm，(d-e) 界面的高倍SEM图

HEC接头的室温抗剪强度受连接温度和中间层类型的影响，如图4所示。连接温度对HEC/Nb₂Ni界面的扩散连接强度有促进作用，中间层类型对接头强度影响显著。当连接温度从1150°C提高至1250°C，接头的界面结构转变为均匀的HEC/Nb₂Ni/HEC，室温抗剪强度从126MPa增加到174MPa。在1200°C/60min/10MPa的工艺条件下，采用复合中间层的接头强度比单独采用Ni或Nb层的接头强度明显提高。

图4：连接温度和中间层类型对HEC接头抗剪强度的影响：(a) 连接温度，(b) 中间层类型

接头在800-1000°C的高温下表现出优异的抗剪性能，接头强度略高于其室温强度，如图5所示，比HEC/Ni/HEC扩散焊接头提高了49%，这主要归因于界面连接结构中高熔点Nb₂Ni层的形成。Nb₂Ni相的纳米硬度为15.2±1.5GPa，弹性模量为219.9±17.5GPa，接头承受剪切载荷时，与HEC变形不协调，断裂发生在HEC/Nb₂Ni界面。

图5：HEC接头的强度和失效行为分析：(a) HEC/Nb-1/HEC接头与HEC/Ni/HEC接头的室温和高温抗剪强度对比，(b-e) HEC/Nb-1/HEC接头的1000ºC剪切断口、800ºC剪切断口和断裂路径，(f) HEC/Ni/HEC接头的800ºC剪切断口

综上所述，本研究针对HEC的高温极端应用背景，将HEC的高温稳定性及迟滞扩散效应对界面原子扩散的特性应用于连接结构设计，通过Ni/Nb/Ni复合中间层精确控制液膜辅助连接，构建了HEC与原位合金化的Nb基界面产物的直接扩散连接界面，在1200-1250°C的工艺温度下获得了能够在1000°C服役的HEC接头。

5、作者及研究团队简介

第一作者：木瑞洁，天津大学材料科学与工程学院博士生。研究方向：高熵碳化物陶瓷接头的界面连接结构设计和高温强化机制。

通讯作者：王颖，天津大学教授、博士生导师，现任天津大学材料科学与工程学院副院长、材料科学与工程国家级实验教学示范中心（天津大学）、材料复合与功能化教育部工程中心主任，从事新材料及异种材料连接与评价方面的教学和科研工作，在异种材料连接新工艺/新方法、结构性能评价与延寿以及电弧增材制造等方面积累了丰富的经验，主持国家自然科学基金联合重点项目、面上项目等5项、省部级和军工项目20余项，以第一/通讯作者身份在J. Adv. Ceram.、J. Mater. Sci. Technol.、Carbon、Mater. Design、J. Eur. Ceram. Soc.等期刊发表SCI学术论文100余篇，SCI他引1250余次，授权国家发明专利20余项，获高等教育（本科）国家级教学成果二等奖、天津市教学成果特等奖、天津市自然科学二等奖，担任中国有色金属学会先进焊接与连接专业委员会委员、中国材料研究学会“超声材料科学与技术分会”第一届理事会常务理事、智能传感功能材料与器件分会第一届委员会常务委员等。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1. Mu Ruijie, Wang Ying, Niu Shiyu, Sun Kongbo, Yang Zhenwen. Excellent high-temperature strength of (HfZrTiTaNb)C high-entropy carbide diffusion-bonded joint via in-situ alloying of Ni/Nb/Ni composite interlayer. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(1): 9221010. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9221010.

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508