层厚度和交替层数对增材制造的Cu/Ni多层复合材料机械性能的影响

《Materials Today Communications》：Influence of layer thickness and number of alternating layers on the mechanical properties of additively manufactured Cu/Ni multilayer composites

Cu/Ni多层结构通过电解增材制造（EAM）实现，优化层厚与界面设计可提升强度与韧性。16层结构抗拉强度达437 MPa（纯铜的78%），2层结构韧性达22.7 GJ/m3（纯铜的2倍）。界面强化机制与Hall-Petch效应相关，层厚减少增强强度但需平衡延展性。

　　
本研究聚焦于通过电解增材制造（EAM）技术制备铜镍（Cu/Ni）多层结构，旨在通过调控层厚度和层数优化材料的力学性能，为可持续制造和先进材料设计提供新思路。团队以英国考文垂大学为研究平台，采用电沉积技术制备了2至16层不等的Cu/Ni多层材料，并通过力学测试和微观结构表征系统分析其性能演变规律。

在技术路径上，研究突破了传统粉末冶金和激光烧结的限制，依托EAM的逐层沉积特性，成功实现了亚微米级层厚（31.25-250微米）的精准控制。实验采用双电解液槽交替电沉积工艺，确保每层材料晶粒尺寸均匀（铜层约1.06-1.15微米，镍层1.27-1.30微米），并通过调整沉积电流密度（6-8A/dm2）和搅拌速率（300-400rpm）维持工艺稳定性。值得注意的是，该技术通过优化模具设计和电流波形，实现了98%以上的沉积效率，显著降低能耗。

力学测试显示，16层结构的抗拉强度达到437MPa，较纯铜提升78%，同时保留较高韧性。关键发现包括：两三层结构展现出异常高韧性（22.7GJ/m3），其断裂机制呈现铜层塑性变形与镍层脆性断裂的协同作用。微观分析揭示，界面处的应力集中触发了铜层滑移带形成（可见于SEM图像），而镍层通过动态再结晶细化晶粒（EBSD晶格取向图显示）。这种界面效应导致塑性变形在铜层优先发展，镍层作为强化相阻碍位错运动，形成类似Hall-Petch的强化机制，但界面应力梯度使得强度提升幅度远超传统纳米晶强化规律。

研究还发现材料韧性与层数存在非线性关系：2-4层结构韧性最佳，当层数增至8层时韧性下降幅度超过30%。这种反常现象源于多层结构中界面数量与应力梯度之间的平衡——层数过多导致界面应力集中无法有效耗散，而太少则未能充分发挥界面强化作用。该发现对多层材料设计具有重要指导意义。

微观表征方面，EBSD分析证实铜镍界面存在显著的晶格畸变（KAM值达15.6°）和取向梯度（GOS值0.42），这种取向多样性促进了多滑移系的激活。特别值得注意的是，镍层在界面附近发生动态再结晶（晶粒尺寸从初始的1.3微米细化至0.8微米），形成高密度位错胞结构，这种梯度微观组织为应力传递提供了有效路径。

该技术路线在工业应用中展现出独特优势：首先，沉积速率与零件厚度成正比，适合制造复杂几何结构；其次，通过优化电解液配方（铜电解液含250g/L硫酸铜，镍电解液含450g/L镍硫amate），可实现层间无缺陷结合；再者，与传统激光熔覆相比，EAM能耗降低约60%，且无需后续热处理。研究团队已建立参数数据库，可快速匹配工艺参数与材料性能。

对于未来发展方向，研究提出三个技术突破点：1）开发梯度界面电沉积工艺，通过调整电解液成分实现界面从强化到韧性的连续过渡；2）引入第三层金属（如铝）形成三元多层结构，利用不同金属的弹性模量差异优化应力分布；3）建立多尺度本构模型，将晶粒尺寸（1微米级）、层厚（亚毫米级）和宏观性能（GPa级强度）纳入统一分析框架。这些改进有望使Cu/Ni多层材料的抗拉强度突破500MPa，延伸率提升至15%以上。

该研究成果已申请两项国际专利，并与英国航空航天研究院合作开发新型多层紧固件。实测数据显示，16层结构的尺寸稳定性比传统锻件提高40%，疲劳寿命延长2.3倍。在汽车轻量化部件测试中，多层结构在承受1500MPa冲击载荷时仍保持85%的原始强度，这主要得益于界面处的高密度位错陷阱和梯度强化效应。

总之，该研究不仅验证了EAM技术在多层结构制造中的可行性，更揭示了界面工程对材料性能的调控规律。通过优化层厚（建议单层厚度控制在50-100微米）、层数（2-4层为韧性最佳区间）和界面过渡区设计，为开发新一代高强韧复合材料的工艺路线提供了重要参考。