摘要：将Ti和Ni合金连接在一起制成高质量的双金属结构是充分发挥其优异性能的最佳集成策略。然而，由于Ti-Ni、Ti-C和Ti-Fe脆性金属间化合物的生成以及热物理性能的差异，TC4与Ni60异种金属之间的冶金连接极具挑战性。针对这一难题，本文提出了一种基于元素成分
导读
将Ti和Ni合金连接在一起制成高质量的双金属结构是充分发挥其优异性能的最佳集成策略。然而，由于Ti-Ni、Ti-C和Ti-Fe脆性金属间化合物的生成以及热物理性能的差异，TC4与Ni60异种金属之间的冶金连接极具挑战性。针对这一难题，本文提出了一种基于元素成分兼容性的解决方案。设计了V/Cu过渡双层，通过激光熔化沉积实现了TC4与Ni60之间的无缺陷连接。利用SEM、XRD和EBSD分析了TC4/Ni60双金属结构的微观结构，以评估其可行性。结果表明，采用V/Cu过渡双层一定程度上减少了脆性金属间化合物相的生成，从而防止了TC4基体和Ni60覆层的开裂和剥落。此外，通过微剪切试验和拉伸试验对双金属结构的力学性能进行了评估。微剪切试验结果表明，双金属结构的最薄弱层为Cu过渡层，其剪切强度为183.0±108.8 MPa，压痕率为8.25±3.3 %。室温拉伸结果表明，研制的双金属结构在Cu/Ni60界面处断裂，拉伸强度为286.3±54.1 MPa，伸长率为6.3±0.5 %。预期研究可为提高激光熔化沉积Ti-Ni异种双金属结构的力学性能提供有价值的参考。
主要图表
图 1. (a) Ti、Ni 等元素的冶金相容性和 (b) 双金属夹层示意图。
图2. 合金相图。（a）Ni/Ti二元相图；（b）Ti/V二元相图；（c）Ni/V二元相图；（d）Cu/V二元相图；（e）Cu/Ni二元相图；（f）Ti/Cu二元相图。
图 3. 材料和实验设计。（a）LMD 工艺示意图。（b-d）原始元素粉末的 SEM 形貌；实验结果。（e）未添加过渡层。（f）添加 V/Cu 过渡双层。
图4 微剪切试验示意图
图5.（a）（b）拉伸试样示意图，（c）拉伸试样尺寸（mm）。
图6. LMD后双金属结构中的Von Mises残余应力。 （a）在TC4基材上沉积Ni60后的残余应力云图；（b）具有V/Cu过渡双层的TC4/Ni60双金属结构的残余应力云图；（c）Ni60/TC4界面处层间节点应力曲线和（e）平均应力值；（d）TC4/V、V/Cu和Cu/Ni60界面处层间节点应力曲线和（f）平均应力值。
图 7. 双金属结构试样的微观结构。（a）双金属结构横截面的光学显微镜图像；（b）区域 1 的 EBSD 相图；（c）区域 1 的 IPF 图像；（d）区域 2 的 EBSD 相图；（e）区域 2 的 IPF 图像。
图 8. 横截面双金属结构的 EDS。(a) EDS 线扫描结果；(b)、(c)、(d)、(e) 元素映射结果。
图 9. (a) 双金属结构的微区 XRD 图案；(b) 测试位置示意图。
图10.双金属结构横截面的显微维氏硬度测试结果。(a)平均硬度曲线；(b)硬度云图。
图11. (a) 力-位移曲线；(b) 平均剪切强度和剪切压痕率。
图 12. 微剪切断口形貌的 SEM。(a1-a3) Ni60 涂层的断口表面；(b1-b3) Cu 层的断口表面；(c1-c3) V 层的断口表面；(d1-d3) TC4 基材的断口表面。
图13. 双金属结构拉伸结果。（a）拉伸应力-应变曲线；（b）拉伸试样的平均应力和平均应变；（c）断口SEM图像
图 14. 熔池中的马兰戈尼对流。（a）正面图；（b）侧视图。
图 15. (a)(b) TC4 基体上沉积 V 的示意图；(c)(d) V 层上沉积 Cu 的示意图；(e)(f) Cu 层上沉积 Ni60 的示意图。
图 16. Ni60/Cu 界面的元素映射。
主要结论
1. 数值模拟结果表明V/Cu过渡层显著降低了TC4与Ni60 LMD连接中的残余应力。
2. 微剪切试验结果表明双金属组织中强度和塑性最弱的层为Cu过渡层，Cu过渡层的剪切强度为183.0±108.8 MPa，压痕率仅为8.25±3.3 %。室温拉伸结果表明试样最薄弱的位置在Cu/Ni60界面处，拉伸强度为286.3±54.1 MPa，伸长率为6.3±0.5 %。
3. 实验结果表明，过渡双层结构能有效阻止大量 Ti 元素从 TC4 基体向 Ni60 涂层扩散，从而抑制 TC4/Ni60 异种金属沉积过程中大量 Ti–Ni 金属间化合物的形成。但由于 LMD 工艺的特性，元素的相互扩散无法消除。 在双金属组织中观察到金属间化合物，导致塑性降低。
4. 双金属组织包括以下相：TC4 基体的 (α + β)Ti 双相、V 过渡层的 (Ti, V)ss、Cu 过渡层的 V 和 Cu 以及 Cu4Ti3 金属间化合物、Ni60 涂层的 (Ni, Cu, Fe)ss 和 (Ti, V, Cr)C 复合碳化物。
主要信息
Dissimilar fabrication of the TC4/Ni60 bimetallic structure by laser melting deposition using a V/Cu transition bilayer
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来源：江苏激光联盟