日本东北大学材料研究所在《Materials & Design》期刊发表了一篇题为《Ti/Mg dissimilar joining by eutectic-melting-induced liquid metal dealloying》的论文。Ti和Mg合金具有热力学上不混溶的主要成分，在作者先前的工作中已经使用对两种元素都具有高亲和力的第三元素进行了化学连接。然而，该策略在精确控制形成在接头界面处的脆性金属间化合物方面具有挑战性。在该研究中，作者利用在接合界面上形成双连续微结构，即不互溶相的三维缠结，来机械接合纯Ti和纯Mg，而不产生脆性层。将纯Mg和Ti-Cu合金中间层对接，中间层与纯Ti预扩散连接，在813 K、20 MPa下加热5 min，接头界面处Cu和Mg共晶熔化，导致中间层液态金属脱合金。整个Ti-Cu中间层被脱合金化，并且在熔化期间通过加压除去副产物（Mg-Cu相）。这些脆性层的去除工艺使接头界面处只留下α-Ti/Mg-Cu双连续相组织，提高了接头强度。Ti/Mg接头在Mg母材处断裂。通过拉伸试验，达到90 MPa。研究的成果为实现难混溶合金的连接提供了理论依据，而目前还没有有效的连接方法。

多材料概念使机动车中使用的结构材料多样化，并在正确的位置使用合适的材料，这一概念已经引起了人们的关注，因为它有助于减少机动车的质量、节省燃料、提高性能、控制CO2排放和提高安全性。异种材料连接技术的发展推动了这一概念的实现.钛和镁合金是典型的高比强度材料。Ti合金价格昂贵，但具有优异的耐腐蚀性和耐热性。镁合金是一种相对廉价且最轻的结构材料。此外，合金开发的最新进展显著提高了镁合金的强度、不燃性和耐腐蚀性。因此，改进连接技术和扩大两种材料的使用将导致比当前能力更高的迁移率性能。然而，由于钛和镁合金的物理和热力学性质不同，因此连接钛和镁合金具有挑战性。换句话说，主要成分的熔点（钛为1668℃，镁为650℃）的巨大差异以及以具有最小固溶极限的二元平衡相图为特征的不混溶关系是通过合金化实现坚固冶金结合的障碍。

在以前的研究中，主要通过扩散连接、搅拌摩擦焊（FSW）、激光焊接钎焊、钨极惰性气体（TIG）焊接和瞬时液相连接研究了钛合金与镁合金的连接。为了连接两个不混溶的相，可以利用对Ti和Mg具有高化学亲和力的中间层，以及由合金中的微量溶质元素引起的部分冶金结合。在使用FSW连接纯Ti和Mg合金（ZK 60）时，Mg合金中的微量元素Zn和Zr与Ti形成薄的反应层。在1.5 mm的偏移处观察到最高拉伸强度237 MPa，其在接头界面处断裂。在这些常规的化学结合方法中，由实现化学结合强度所必需的第三组分形成的金属间化合物（IMC）的机械性能和分布显著影响接头性能。在连接界面处形成的脆性IMC很容易导致断裂，这就需要精确控制脆性IMC，并对连接的可靠性和安全性提出了问题。为了避免这个问题，不依赖于金属结合的机械连接可以是一种解决方案。

为了将EMI-LMD接合应用于Ti和Mg，必须适当地选择接合界面的Ti侧上的牺牲组分的浓度。Ti-Cu合金被Mg熔体脱合金。此外，由于Cu和Mg的二元平衡相图是共晶系统，因此在Ti-Cu中间层与Mg固体之间的接合界面处可以发生共晶熔化。考虑到通过LMD形成双连续微结构，经验上已知夹层应优选含有约10%的碳。25-75原子%的牺牲组分，以确保熔体进入夹层的扩散路径，并防止残余相的分散。取决于中间层中的Cu浓度，接头界面的微观结构（其影响接头强度）改变。考虑到这些因素，我们制备了一种Cu含量可调的Ti-Cu合金，并将其用作中间层。在这项研究中，采用了一种新的连接方法，使用EMI-LMD纯钛和纯镁，并评估界面反应以及力学性能。研究目的是阐明新连接方法的挑战及其对策，并评估应用脱合金连接方法的可扩展性。

部分数据及图表如下

图1 (a)连接方法示意图和（b）拉伸试样形状

图2 （a）.扩散连接后的Ti/Ti 100-xCux界面和沿着白色线（x = 65）的EDX分析，（b）在x = 33、50处的扩散连接界面

（c）扩散连接后中间层的XRD图案。插入的示意图显示了XRD测量的位置。

图3 (a)Ti 50 Cu 50与Mg界面反应形成的显微组织，以及沿着白色的EDX分析，（b）凝固组织放大图和Cu-Mg二元平衡相图[34]，

（c）中间层（两区界面）Mg扩散区以及沿着白色的EDX分析，（d）EMI-LMD反应过程示意图

图4 （a）.层的名称，（b）EMI-LMD与LMD和SMD相比的动力学，（c）脱合金层厚度随脱合金时间和中间层组成的变化，

（d）脱合金层厚度随脱合金温度和中间层组成的变化，

（e）在脱合金层和Mg基体之间保留的Mg-Cu层厚度随压力的变化，插入的图显示了具有不同压力的EMI-LMD的微观结构和接合样品的外观

图5 (a)具有优化的连接条件的样品的微观结构，（b）沿图（a）中的白色线沿着的EDX分析，

（c）去合金化前部的放大图像，以及（d）去合金化后部的放大图像

图6 (a)不同中间层组成和连接条件的断裂强度，蓝色点表示在连接界面处具有残留脆性层的样品，红色点表示没有残留脆性层的样品，

（b）在优化连接参数之前样品在界面处断裂（蓝色框），优化连接参数后，试样在Mg母材处断裂（红色框），

（c）残余Mg-Cu层在低应力下引起断裂的情况，

（d）残余中间层在低应力下引起断裂的情况。(For对于图中颜色的解释，请读者参考本文的网络版本。）

图7 (a)接头的载荷-位移曲线。插入的图显示了双连续微结构处的压痕的放大图像。

(b)压痕硬度根据测量位置而定

主要结论

研究对接了Ti 100 −xCux夹层（x = 33-65），预扩散结合到纯钛和纯镁上。在接头界面处，Cu和Mg共晶在高于Cu-Mg共晶温度和低于Mg熔点的温度下熔化，导致Ti-Cu中间层的LMD。整个脆性中间层通过脱合金化转变为α-Ti和Mg-Cu双连续相组织（α-Mg初晶和α-Mg/Mg 2Cu共晶的复合组织），Mg-Cu副产物层在共晶熔化过程中从接头界面压出。这些工艺从接头界面去除了脆性相，并且我们仅通过双锥连续组织机械连接纯Ti和纯Mg。在这些连接条件下，与残留脆性相的情况相比，我们提高了接头强度;在x = 33-65时，断裂强度> 83.3MPa，Mg母材断裂。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113095

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