通过固液结合法制备的CuSn10Pb1/25Cr2MoV双金属在强度和延伸率方面实现了同时提升

《Vacuum》：Simultaneous enhancement of strength and elongation in CuSn10Pb1/25Cr2MoV bimetals fabricated via solid-liquid bonding

双金属复合材料通过优化固体-液体结合工艺参数（温度1050–1150°C，抽速10–300μm/s），实现了高强度（336.1MPa）与高延伸率（15.5%）的协同提升，其机制源于界面Fe?P相的梯度分布与多尺度异质界面结构调控。

　　铜合金与钢的双金属结构在航空航天、医疗器械和液压设备等多个领域具有广泛的应用价值。这种结构通过结合铜合金的高导热性和耐磨性与钢的高强度和承载能力，能够在复杂的工作环境下提供良好的性能表现。然而，对于具有复杂曲面连接的铜合金/钢双金属，实现可靠的界面强度和兼容的延展性是关键，以防止在装配和运行过程中发生失效。尽管已有许多研究致力于提高双金属的界面性能，但在实际应用中仍然面临诸如曲面界面结合强度低、微结构控制困难等挑战。本研究采用固液结合方法并结合定向凝固技术，成功制备了具有复杂曲面连接的CuSn10Pb1/25Cr2MoV双金属结构，通过优化结合参数显著提升了其界面性能。

在研究过程中，选择了1050°C、1100°C和1150°C作为结合温度，并将拉拔速率控制在10 μm/s到300 μm/s之间。研究发现，随着结合温度的升高，磷（P）元素在界面区域的富集程度逐渐降低，同时结合强度和延展性也随之提升。在1150°C和10 μm/s的拉拔速率条件下，界面结合强度达到了336.1 MPa，延展性达到了15.5%，表明在此条件下，界面强度和延展性实现了同步提升。在该条件下，界面区域形成了交替分布的Fe?P和Fe相，并且在界面两侧出现了沉淀物，这些现象显著改善了双金属的界面性能。

在结合温度为1050°C时，观察到了Kirkendall孔洞和热裂纹，这主要由于元素扩散速率的差异。此时，铜和铁在铜合金与钢之间的互扩散受到限制，同时铜的扩散系数远高于铁，导致铜原子在钢侧继续扩散，留下难以被铁原子填充的空位，从而形成孔洞。而在更高的结合温度下，这种缺陷逐渐消失，界面区域的P富集带变薄，形成了厚度约为5 μm到10 μm的不连续界面影响区。此外，研究还发现，随着结合温度的升高，界面区域的硬度和拉伸性能均有所提升，而P元素的富集带厚度减少，进一步表明温度对界面性能的优化具有重要作用。

对于不同拉拔速率的实验，研究发现，随着拉拔速率的降低，界面结合强度和延展性均显著提升。特别是在1150°C和10 μm/s的条件下，拉伸强度达到了336.1 MPa，超过铜合金基体强度的90%，延展性达到了15.5%。这表明，在优化的工艺参数下，拉拔速率的降低有助于形成更均匀的界面结构，从而提升双金属的整体性能。通过电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）分析，研究揭示了界面区域的微观结构特征，包括Fe?P和Fe相的交替分布，以及Fe在铜侧形成细小沉淀物的现象。

此外，研究还发现，在界面区域中，Fe?P相的形成对界面硬度和强度有重要影响。在较高的结合温度下，Fe?P的富集程度降低，而其在界面区域的分布更加均匀，这有助于减少界面脆性，提高延展性。同时，通过结合过程中的慢速冷却，界面区域的缺陷得到了有效修复，形成了不连续的界面影响区，这有助于提高双金属的机械性能。研究还表明，界面区域的多尺度异质结构，如Fe?P与Fe、Cu相之间的界面，能够有效存储位错并协调局部应变不兼容，从而增强界面的强度和延展性。

通过分析不同结合温度和拉拔速率对双金属界面性能的影响，研究得出结论：在1150°C和10 μm/s的条件下，双金属的界面性能达到最佳状态。这一发现不仅为复杂铜合金/钢双金属的制备提供了理论基础，也为相关工业应用中的材料选择和工艺优化提供了参考依据。此外，研究还揭示了界面区域的形成机制，强调了固液界面迁移和元素扩散在双金属界面性能提升中的关键作用。

总体而言，本研究通过优化工艺参数，成功制备了具有高结合强度和良好延展性的复杂铜合金/钢双金属结构，为相关领域的材料开发和应用提供了新的思路和方法。