在高温结构材料服役领域，异种合金之间的可靠连接是实现高强度、长寿命构件的关键技术之一。瞬时液相连接（TLP）因其具备低温高强连接能力，在航空航天与能源装备中具有重要应用价值。然而，接头的蠕变寿命短、界面空洞演化机制复杂等问题一直限制其工程应用。为此，深入理解异种金属TLP接头中析出相与空洞的协同演化规律，并提出有效调控策略，成为该领域研究的前沿课题。

近日，天津大学刘永长教授、刘晨曦教授团队在异种金属连接材料蠕变性能提升方面取得重要进展。研究团队聚焦IN718镍基合金与316LN奥氏体钢的TLP连接接头，通过设计长期连接后均匀化处理（PBHT），有效调控界面析出相的类型与分布，提出了以析出相/空洞协同演化控制为核心的蠕变寿命提升机制。相关研究成果以“Improving Creep Properties of IN718/316LN Transient Liquid Phase Bonding Joints by Controlling Evolution of Precipitate Phases”为题，发表于国际期刊《Acta Materialia》上。论文第一作者为博士生杨淼，通讯作者为刘晨曦教授，合作作者有天津大学刘永长教授、丁然特聘研究员、郭乾应教授、郭倩颖博士，核工业西南物理研究院张腾研究员，天津市新宇彩板有限公司杜天宇、马峰、齐国伟、郭振刚等。该工作得到了国家自然科学基金重点和面上等项目的资助。

内容简介：

研究中，团队对IN718/BNi-2/316LN异种材料TLP接头在不同PBHT条件下的微观组织与蠕变性能进行了系统对比。实验结果表明，经过48小时高温PBHT处理后的接头样品（H48）蠕变寿命提升至534小时，是传统3小时PBHT接头（H3）的10倍以上。同时，最小蠕变速率降低至 7.8×10⁻⁴ %/h，表现出优异的蠕变抗力（图1）。

图1 不同材料样品在高温条件下的蠕变性能比较。(a) 不同样品（H48、H3、AB）蠕变应变随时间的变化曲线，插图显示AB样品初期蠕变行为；(b) 蠕变速率随时间的变化；(c) 蠕变速率随蠕变应变的变化；(d) 三维柱状图对比三种样品的最低蠕变速率、蠕变寿命及蠕变延伸率；(e) 本研究与已有文献中蠕变性能的对比图，展示本工作在低应变和长寿命方面的优势

微观组织分析表明，H48样品中BN粗大相几乎完全溶解，转而形成均匀分布的TiN与Nb₃Si细小相（图2），且后者主要沿晶界析出。研究通过DFT密度泛函计算发现，Nb、Mo、Si易于在晶界发生偏聚，并诱导形成形貌规则的Nb₃Si相。Nb₃Si相不仅提高了空洞的成核能垒、改变空洞形状因子，还因其高空位形成能和较强界面粘附能，有效抑制了空洞在晶界附近的成核行为（图3）。

图2 不同热处理状态接头的显微组织及析出相特征对比。(a1–a3) As-bonded、H3与H48样品的接头截面光学显微照片；(b1–b3) 不同区域的SEM形貌；(c1–c4) TiN颗粒与Nb₃Si颗粒的典型形貌；(d1) 各区域析出相的平均面积分数；(d2) 各区域析出相的平均粒径。

图3 BN、TiN和Nb₃Si颗粒对蠕变空洞行为的影响机制分析。(a–b) 蠕变空洞在BN与TiN/Nb₃Si颗粒处的几何关系示意图；(c) 三种相在不同夹角下异相形核的自由能变化；(d) 三种相在不同夹角下的形核速率；(e–g) BN、Nb₃Si、TiN与Ni界面上的空位分布示意；(h) 三种相与Ni界面的成核能垒 (E_f)、界面结合能 (W_ad) 和不同元素形成空位的形成能对比，显示Nb₃Si/Ni界面具有更低的空位形成能和较高的界面结合能，有助于抑制空洞的形成与扩展。

为进一步揭示析出相对蠕变损伤的影响机制，研究团队建立了基于析出相与空洞协同演化的空洞生长动力学模型。该模型结合Raj-Ashby空洞成核理论与Cocks空洞长大机制，系统刻画了空洞从形核、扩展到聚合破裂的全过程。模拟预测的蠕变寿命与实际测试高度吻合，验证了模型的可靠性和适用性（图5）。

图4 H3与H48样品蠕变过程中空洞面积分数 fh(t) 的演化趋势与模型拟合。(a) H3样品蠕变过程中实测与动力学模型预测的空洞面积分数随时间变化；(b) H48样品对应变化规律。插图为不同蠕变时间下的SEM微观形貌，显示空洞随时间逐渐增大并聚集，最终导致蠕变断裂。动力学模型良好拟合了实验数据，验证了空洞演化主导蠕变失效的机制。

总结与展望：

本研究围绕IN718与316LN异种合金的瞬时液相连接（TLP）接头，在微观组织调控与蠕变寿命提升方面展开系统研究。通过设计不同时间尺度的连接后均匀化热处理（PBHT），研究团队提出了基于“选择性析出相调控”的空洞抑制策略，并揭示了TiN和Nb₃Si析出行为在界面稳定性中的关键作用。基于实验观测和理论建模，研究构建了一个融合析出相演化与空洞扩展行为的多尺度动力学模型，成功预测了空洞形核速率、增长路径及最终蠕变破裂时间。模型预测与实验数据高度吻合，具有良好的普适性和工程应用价值。该模型对于理解复杂合金接头中的微观损伤机制具有重要理论意义。

本研究不仅突破了异种合金TLP接头蠕变寿命提升的瓶颈问题，也为未来高温连接结构件的设计提供了可行的“微结构-性能”协同优化策略。相关方法有望推广至更多异种合金体系（如高熵合金/不锈钢、镍基/铁基合金等），在航空发动机、核电管道、深空探测等领域中发挥关键作用。

文章信息：M. Yang, T. Zhang, R. Ding, T. Du, Q. Guo, F. Ma, G. Qi, Z. Guo, Q. Guo, C. Liu, Y. Liu, Improving creep properties of IN718/316LN transient liquid phase bonding joints by controlling evolution of precipitate phases, Acta Mater. 297 (2025) 121356.

DOI: 10.1016/j.actamat.2025.121356.

全文链接：Improving creep properties of IN718/316LN transient liquid phase bonding joints by controlling evolution of precipitate phases - ScienceDirect