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Integrated filler metal/base metal manufacturing via cold spray additive manufacturing for 

brazing _Cf/SiC and superalloy

冷噴涂增材制造用于Cf/SiC復(fù)合材料與高溫合金釬焊的填充金屬/母材一體化制備

作者信息：

Pengcheng Wang ^a, Weihan Liu ^a, Lei Gu ^a, Hao Ran ^a, Xiaoguo Song ^b, Zhaoyi Pan ^c, Haiyan Chen ^a, Wenya Li ^a

a State Key Laboratory of Solidification Processing, Shaanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies, Northwestern Polytechnical University, Xi'an, 710072, China

b State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001, China

c Xi'an Space Engine Company Limited, Xi'an, 710072, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100012

文章介紹：

作為結(jié)構(gòu)材料的Cf/SiC復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。由于脆性大且價(jià)格昂貴，Cf/SiC難以直接加工成復(fù)雜構(gòu)件，需與高溫合金連接形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。目前工程中多采用螺栓連接方式，但這會(huì)抵消Cf/SiC的減重優(yōu)勢(shì)。活性釬焊是實(shí)現(xiàn)陶瓷/金屬連接的有效方法，但Cf/SiC與高溫合金物理性能（特別是熱膨脹系數(shù)）的顯著差異會(huì)導(dǎo)致釬焊接頭存在較大殘余應(yīng)力，因此開(kāi)發(fā)新型可靠連接技術(shù)至關(guān)重要。

當(dāng)前傳統(tǒng)復(fù)合釬料制備主要采用粉末釬料或箔狀釬料形式。為緩解殘余應(yīng)力，研究者通過(guò)在粉末釬料中添加低熱膨脹系數(shù)（CTE）的陶瓷/金屬相來(lái)調(diào)節(jié)釬料性能。Song等采用石墨烯納米片增強(qiáng)AgCuTi復(fù)合釬料連接SiC陶瓷與Al0.3CoCrFeNi高熵合金，當(dāng)添加0.3 wt%石墨烯時(shí)，接頭殘余應(yīng)力顯著降低且力學(xué)性能提升。另一種思路是采用金屬或多孔陶瓷中間層釋放應(yīng)力，如Zhang等使用AgCuTi/Cu泡沫/AgCuTi三明治結(jié)構(gòu)釬料連接SiCf/SiC與GH536，泡沫銅通過(guò)應(yīng)力緩沖作用提高了接頭強(qiáng)度。然而這些方法在改善應(yīng)力的同時(shí)增加了釬焊工藝復(fù)雜性，亟需開(kāi)發(fā)兼具應(yīng)力緩解和工藝簡(jiǎn)化的新型方法。

冷噴涂作為一種新興固態(tài)增材制造技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于純金屬、合金及陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料的制備。該技術(shù)通過(guò)拉瓦爾噴嘴將微米級(jí)顆粒加速至超音速，粒子在基體表面發(fā)生劇烈塑性變形實(shí)現(xiàn)低溫固態(tài)沉積。對(duì)于活性釬料制備而言，傳統(tǒng)增材制造技術(shù)的熔融過(guò)程會(huì)導(dǎo)致活性元素?fù)p耗，而冷噴涂的低溫特性可避免此問(wèn)題，為復(fù)合釬料制造提供了獨(dú)特解決方案。

本研究提出基于冷噴涂增材制造的釬料/母材一體化制備新方法。選用具有優(yōu)異焊接性和塑性的CuTi及CuTi+W體系作為Cf/SiC與GH3536的活性釬料。相較于傳統(tǒng)粉末釬料（三組件裝配：Cf/SiC-粉末釬料-高溫合金，圖1a）或箔狀釬料（五組件裝配：Cf/SiC-箔狀釬料-網(wǎng)狀中間層-箔狀釬料-高溫合金，圖1b），該技術(shù)將裝配簡(jiǎn)化為雙組件模式（Cf/SiC-一體化釬料/高溫合金，圖1c）。通過(guò)冷噴涂技術(shù)在GH3536表面成功制備了CuTi（CS-CuTi）及CuTi+W（CS-CuTi+W）復(fù)合釬料涂層，揭示了CuTi+W涂層的界面結(jié)合機(jī)制，并系統(tǒng)研究了CS-CuTi+W釬料連接Cf/SiC-GH3536接頭的微觀組織演變與界面反應(yīng)機(jī)理。

中文摘要：

提出了一種新型冷噴涂增材制造一體化釬料/母材制備方法。采用冷噴涂增材制造技術(shù)制備了CuTi釬料/GH3536及CuTi+W復(fù)合釬料/GH3536一體化材料。銅鈦顆粒的大塑性變形與鎢顆粒的夯實(shí)效應(yīng)共同促進(jìn)了顆粒界面結(jié)合，從而改善了冷噴涂CuTi+W復(fù)合釬料的焊接性能。基于冷噴涂CuTi+W復(fù)合釬料，成功實(shí)現(xiàn)了Cf/SiC復(fù)合材料與GH3536的釬焊連接，并對(duì)典型微觀組織及釬焊機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：采用冷噴涂CuTi+W復(fù)合釬料釬焊的Cf/SiC-GH3536接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到77MPa。本研究凸顯了冷噴涂增材制造在釬焊領(lǐng)域一體化釬料/母材制備中的巨大潛力。