为满足对高强度高韧性含能结构材料的开发和应用需求，本研究采用扩散键合法设计并制备了以TaZrNb球体为增强相的TA15基体代表体积单元。通过扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、能谱分析（EDS）和X射线衍射（XRD）研究了TaZrNb/TA15界面的微观结构演变机制。对球体结构进行了界面力学性能试验和原位拉伸试验，并建立了该结构的拉伸强度等效模型。结果表明，TA15钛合金及其连接部位具有高致密性，无孔隙或裂纹。平面连接层厚度约为50-60 μm，平均拉伸强度和剪切强度分别为767 MPa和608 MPa；球状连接层厚度约为60 μm，连接层中的Zr和Nb元素均匀扩散并与Ti形成强结合，未生成金属间化合物。界面呈现亚微米级晶粒细化和凹凸互锁结构：拉伸断口主要表现为沿晶断裂与少量穿晶断裂相结合的准脆性断裂模式；剪切断口显示规则排列沟槽的脆性断裂特征；通过先进的原位X射线显微计算机断层扫描技术发现，内部断裂主要沿球状界面发生。实验结果与理论预测高度吻合，表明高强度界面有助于提升含球结构的整体强度与韧性。

1. 研究材料

采用扩散键合法制备了嵌入球形TaZrNb MEA的TA15钛合金复合结构，如图1(a)所示，TaZrNb合金采用两种形态：尺寸为φ10 mm×40 mm的棒材及直径D=1 mm、2 mm、2.5 mm和9 mm的球体。棒材用于制备研究界面力学性能与微观组织特征的试样；直径D=1 mm、2 mm、2.5 mm的球体用于制备拉伸试样。

2. 原位CT试验方法

代表体积单元（RVE）试样标距直径为4 mm，标距长度为20 mm，如图1(c)所示。试样内部沿中心轴线分布直径分别为1 mm、2 mm和2.5 mm的球体。利用微旷科技的X射线显微原位CT（型号为XPloreVista 2000 4D，最大载荷可达20 kN）对RVE试样进行原位拉伸试验，试验平台如图3(d)所示。本实验中，分辨率、电压、功率及曝光时间分别设置为2.352 μm、150 kV、16.5 W和1.2 s。拉伸加载速率保持在0.2 μm/s，以捕捉RVE内部裂纹扩展过程。同步CT扫描时，机械模块与试样同步旋转360°，用于三维模型重建，模型扫描次数设定为1200次。

显微原位CT能够实时观测试样内部失效过程，可捕捉复杂结构内部的损伤与断裂特征。因此，进行原位拉伸试验有助于探究代表体积单元（RVE）内部潜在的失效机制。图2展示了球体直径D=2 mm的RVE原位拉伸力-位移曲线及选取用于研究失效模式的DR影像。灰色圆柱体为TA15钛合金基体，黑色球体为密度更高的TaZrNb MEA。RVE试样沿中心轴线拉伸，由于嵌入球体尺寸较大，试样最终呈现脆性断裂特征。

为满足高强度高韧性含能结构材料的开发与应用需求，本研究采用扩散键合法成功制备了TA15/TaZrNb MEA复合材料，并进行了一系列界面观测与力学测试，建立了代表体积单元（RVE）的强度等效模型。主要结论如下：

（1）在900°C、130 MPa、保温时间2 h条件下，TA15钛合金及TA15/TaZrNb连接界面组织致密，无裂纹与孔隙，实现良好冶金结合。

（2）平面与球状连接层厚度分别约为50–60 μm与60 μm。键合界面处Zr、Nb元素均匀扩散，连接层中析出亚微米级Ta固溶体颗粒，界面发生动态再结晶形成细晶组织。界面平均拉伸强度与剪切强度分别为767 MPa和608 MPa，表明界面具有优异力学性能。

（3）显微原位CT拉伸试验表明：RVE失效模式为沿球状界面分层脱粘，继而裂纹扩展直至TA15基体断裂失效，球状界面断裂发生于TaZrNb MEA侧。

（4）载荷通过连接界面传递至内部球体，RVE抗拉强度由界面与TA15基体共同提供。据此建立RVE抗拉强度等效模型，理论预测与实验结果高度吻合，高强度界面是决定整体结构的关键因素。

（5）平面界面拉伸断裂模式为以沿晶断裂为主、穿晶断裂为辅的准解理断裂；剪切断口呈现规则沟槽排列的脆性断裂特征。元素扩散速率差异使界面形成凹凸互锁结构，该结构通过钉扎机制增强抗剪切能力，MEA与Ⅰ.区间的凹凸互锁结构是潜在的失效断裂位置。

原始文献：

Chen W , Huang F , Wang C ,et al.TA15/TaZrNb multi-element alloy prepared via diffusion bonding: Tensile-strength model and performance of a representative volume element embedded with a sphere[J]. Defence Technology[2025-05-08].

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.dt.2025.03.018