MAX相材料，以其独特的层状结构和金属-陶瓷混合特性，成为材料科学领域的明星，其中Ti3SiC2因其超卓的热电导性、抗辐照和热冲击性能而备受青睐。然而，Ti3SiC2的高熔点带来的加工难题，限制了其在工业应用中的潜力。传统连接技术如钎焊和扩散连接，尽管在连接Ti3SiC2时取得了一定进展，但长时间的高温处理过程限制了其效率。为了突破这一瓶颈，胡良兵等人开发的超快高温烧结（UHS）技术，以其极快的加热速率和高烧结温度，为快速制备陶瓷材料提供了新途径。在此基础上，本研究利用FeCoCrNiCu高熵合金，通过热冲击实现了Ti3SiC2的超快高温连接（UHJ），在短短15秒内完成了连接过程，不仅显著提高了连接效率，还为高熵合金在先进连接技术中的应用提供了新视角。
2024年5月22日，哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室李淳、曹健等在国际期刊《Journal of Manufacturing Processes》上发表题为“Ultrafast high-temperature joining of Ti3SiC2 using FeCoCrNiCu high-entropy alloy via thermal shock”的论文。本研究通过热冲击技术，成功实现了Ti3SiC2的超快连接。这一过程采用FeCoCrNiCu合金作为连接材料，在空气中仅需15秒即可完成。利用焦耳热原理，通过施加30A的电流，碳毡能够产生超高温环境，并通过辐射和传导迅速加热样品。在这一过程中，Ti3SiC2与合金之间通过快速反应形成了紧密的结合。连接区域由FeSi2Ti基体、微米级TiC以及沉淀的Cu9Al4化合物组成，展现出高达120.5 MPa的卓越剪切强度。这项技术不仅显著提升了陶瓷连接的效率，而且因其在不同应用领域所展现的广阔前景而备受关注。
在本研究中，研究人员通过超快高温连接（UHJ）技术，成功实现了Ti3SiC2与FeCoCrNiCu高熵合金的快速连接。实验部分首先采用热压烧结法制备Ti3SiC2样品，并添加少量铝作为烧结助剂，样品随后被加工成特定尺寸以进行微观结构表征和机械性能测试。通过对FeCoCrNiCu合金在Ti3SiC2上的润湿性进行初步分析，确认了其作为连接Ti3SiC2部件的填充材料的适宜性。实验中，碳毡被用作产生焦耳热的介质，通过直流电源施加30A电流，实现了样品的超快速加热，连接过程在大约15秒内完成。
在连接过程中，FeCoCrNiCu合金与Ti3SiC2之间通过界面反应形成了牢固的结合。钎缝主要由FeSi2Ti基体、微米级TiC和Cu9Al4沉淀相组成，展现出高达120.5 MPa的剪切强度。通过扫描电子显微镜（SEM）和电子探针X射线微区分析（EPMA）对连接接头的微观结构和元素分布进行了表征，而透射电子显微镜（TEM）则用于确定物理相。
如图1(a)所示，展示了UHJ装置和样品组装的示意图，其中FeCoCrNiCu合金被夹在两个Ti3SiC2基板之间，并通过碳毡进行加热。图1(b)和(c)分别展示了FeCoCrNiCu合金的微观结构和差示扫描量热法（DSC）与热重分析（TG）曲线。
在UHJ过程中，由于碳毡的燃烧损耗，电阻增加，导致电压和温度升高，如图2(a-c)所示。图2(d)进一步展示了UHJ过程中的加热效应。
图3(a)展示了连接接头的典型微观结构，包括钎缝和过渡区，而图3(b)和(c, d)分别展示了钎缝和Ti3SiC2的过渡区。
图4(a)展示了在30 A-10 s条件下获得的钎缝的微观结构，以及图4(b-k)中元素分布图，揭示了接头中不同相的化学组成。
随着连接时间的延长，Ti3SiC2与FeCoCrNiCu合金之间的反应更加剧烈，如图5(a-d)所示，钎缝的微观结构随着时间的增加而发生变化，其中TiC相和硅化物基体相逐渐长大并合并。通过TEM进一步分析了钎缝的微观结构和元素分布，如图6(a-q)所示，其中图6(a)展示了钎缝的TEM亮场图像，图6(b-k)为元素分布图，图6(l-n)为选区电子衍射（SAED）图像，图6(o, p)为TiC/Cu9Al4和FeSi2Ti/Cu9Al4界面的高分辨率图像。
图6(r)展示了连接时间与接头剪切强度之间的关系，表明随着连接时间的增加，接头的剪切强度也随之提高。通过与传统连接方法的对比实验，如图S3和图S4以及表S3所示，UHJ技术制备的接头展现出更高的剪切强度和更好的微观结构，验证了TiC相分散强化对提高接头机械性能的重要性。此外，研究还发现，由于Ti3SiC2和TiC的热膨胀系数相近，UHJ接头中的残余应力可能得到缓解。
总结而言，本研究成功应用FeCoCrNiCu高熵合金实现了Ti3SiC2的超快高温连接，整个连接过程仅需15秒，相较于传统方法，这一短周期为Ti3SiC2小部件的连接提供了高效率的解决方案。在30A电流作用下，由于碳毡的燃烧损耗，温度维持在大约1405°C至1647°C之间。钎缝由TiC相、少量Cu9Al4以及FeSi2Ti基体组成，其中TiC相随着连接时间的增加而生长并合并。基体主要由(Fe + Co + Ni)31-(Si + Al)41-Ti28体系构成，以FeSi2Ti相为主导。各个相之间紧密结合，接头主要由陶瓷化合物构成。随着连接时间的增长，接头的剪切强度也随之提高，最大剪切强度在30A-15s时达到120.5 MPa，这与TiC的分散强化效应有关。
本研究不仅为Ti3SiC2的连接提供了一种高效的新方法，而且为陶瓷材料的超快连接技术发展提供了新策略。这种连接技术的优势在于其快速的加热速率和短连接时间，有望在陶瓷基复合材料的连接、陶瓷与金属的接合以及复杂结构部件的制造等领域得到广泛应用。此外，通过优化连接参数和高熵合金成分，未来有望进一步提升接头的性能，拓展其在极端环境下的应用潜力。随着对高熵合金连接机理的深入理解，该技术有望推动陶瓷连接技术向更高效、更可靠的方向发展。
Long Zhou, Chun Li, Yuxiang Chen, Chenghao Zhang, Xiaoqing Si, Junlei Qi, Jian Cao. Ultrafast high-temperature joining of Ti3SiC2 using FeCoCrNiCu high-entropy alloy via thermal shock. Journal of Manufacturing Processes, 2024.
https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.05.040.
