西南交通大学研究团队在“Materials Characterization”期刊上发表题为“Strengthening mechanisms and performance enhancement of laser surface treatment on Ti6Al4V/glass/ZrO2 brazed joints”——“激光表面处理对 Ti6Al4V/玻璃/ZrO₂钎焊接头的强化机制与性能提升”的文章。
研究背景：
Ti6Al4V 钛合金比强度高、耐蚀性好但表面硬度低，ZrO₂陶瓷耐高温、化学稳定但脆性大，二者性能互补，其连接结构广泛应用于电子封装、燃料电池等领域。钎焊是二者最可行的连接方式，铋基封接玻璃因软化温度低、热膨胀系数可调成为优选钎料，但钛合金与玻璃化学相容性差、润湿性不佳，传统热氧化预处理存在氧化层不均、脆性大、处理耗时的问题，激光表面处理则兼具改性效率高、可调控表面形貌的优势，本研究通过对比两种预处理方式，揭示其界面强化机制，提升钎焊接头强度。
创新点：
1.对比热氧化与激光表面处理对 Ti6Al4V / 玻璃 / ZrO₂钎焊接头的改性效果，发现激光处理使接头剪切强度达 46MPa，较热氧化提升 31.43%，大幅优化连接性能。2.揭示激光处理的三重协同强化机制，即化学结合、钎料浸润微孔形成的机械互锁，以及纳米 Bi 颗粒的弥散强化，突破传统单一化学强化的局限。
部分实验数据：
图 1 表面处理设备与工艺(a) 一体化智能马弗炉（SX2–10-12 A 型）；(b) 热氧化处理工艺；(c) 激光表面处理示意图；(d) 热氧化处理后表面形貌；(e) 激光处理后表面形貌
图 2(a) 试样装配示意图；(b) 钎焊工艺曲线
图 3 不同预处理条件下的界面微观结构与元素分布(a)-(a₁) 未处理界面；(b)-(b₁) 热氧化处理接头；(c)-(c₁) 激光处理接头
图 4 热氧化处理后 Ti6Al4V 与封接玻璃的界面形貌聚焦离子束（FIB）截面形貌；(b) 区域 1 明场像；(c₁)-(c₆) 元素分布
图 5 热氧化处理后 Ti6Al4V / 封接玻璃界面形貌界面形貌；(b₁) 明场像；(b₂) 圆形选区电子衍射花样；(c₁)-(c₃) A 区域界面形貌、高角环形暗场像及电子衍射花样；(d₁)-(d₃) B 区域界面形貌、暗场像及电子衍射花样；(e₁)-(e₃) C 区域界面形貌、暗场像及电子衍射花样
图 6 激光表面处理后 Ti6Al4V 与封接玻璃的界面形貌聚焦离子束（FIB）截面形貌；(b) 区域 1 明场像；(c₁)-(c₄) 区域 1 元素分布；(d) 区域 2 明场像；(e₁)-(e₅) 区域 2 元素分布
图 7 Ti6Al4V / 封接玻璃界面的透射电镜表征界面形貌；(b₁) 接头明场像；(b₂) 电子衍射花样；(c₁)-(c₂) B 区域界面形貌及电子衍射花样；(d₁)-(d₂) C 区域界面形貌及电子衍射花样；(e₁)-(e₂) D 区域界面形貌及电子衍射花样；(f₁)-(f₂) E 区域界面形貌及电子衍射花样
图 8 不同处理方式下接头的剪切强度对比
图 9 热氧化处理后剪切断口形貌与元素分布
图 10 激光表面处理后剪切断口形貌与元素分布
主要结论：
本研究采用两种预处理方式对 Ti6Al4V 表面进行改性：600℃下保温 120 min 的热氧化处理，以及功率 20 W、频率 50 kHz、脉宽 50 ns 且扫描 10 次的激光表面处理。以铋基玻璃作为钎料，在 650℃下保温 30 min，实现 Ti6Al4V 钛合金与 ZrO₂陶瓷的钎焊连接。通过透射电镜、能谱分析及剪切试验，表征了接头的界面结构、元素分布、连接强度与断裂特征，探究了不同预处理方式的界面强化机制及强化效果，主要结论如下：
（1）扫描电镜与能谱分析结果表明，热氧化处理后的界面结合主要依靠钛、铋元素的相互扩散，界面析出相呈明显的针状形貌；而激光预处理不仅能促进钛、铋元素扩散，还可使析出相分布更致密，针状相占比减少，缓解了界面应力集中问题。此外，封接玻璃可充分浸润激光在 Ti6Al4V 表面制备出的微坑，使两相界面形成机械互锁结构。
（2）对聚焦离子束制样后的截面进行透射电镜表征发现，热氧化处理后，析出相与氧化层间分层界限清晰，存在多处易引发断裂的薄弱点；界面析出相呈针状、块状与球状，主要由钛、铋、氧元素组成，结合衍射花样与快速傅里叶变换分析，确定其物相为钛酸铋（Bi₄Ti₃O₁₂）、焦绿石型钛酸铋（Bi₂Ti₂O₇）及单质铋。激光处理后，氧化层与析出相间无明显界面，有效降低了断裂风险；同时，亚稳态的 Bi₂Ti₂O₇分解产生的细晶铋颗粒弥散分布于界面，显著提升了界面结合强度。
（3）剪切试验结果证实，激光处理对提升接头强度的效果更为显著：热氧化处理接头的剪切强度达 35 MPa，而激光处理接头的剪切强度提升至 46 MPa。二者强化效果的差异源于强化机制的不同：热氧化处理主要通过钛、铋元素的相互扩散与化学反应实现界面强化；而激光处理则实现了多重强化的协同作用，既存在元素相互扩散，又有分解产生的铋颗粒实现弥散强化，同时封接玻璃浸润激光微坑形成的机械互锁结构也进一步提升了界面强度。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matchar.2026.116049
