粉末床熔融制备纯铜-STS 630双金属结构的界面结合完整性及裂纹敏感性研究

本研究针对极端环境下高导热/高强度双金属结构制备难题，通过粉末床熔融（PBF）技术构建纯铜-不锈钢630（STS 630）双金属体系，系统分析了能量密度（0.15-1.0 J/mm）对混合区深度、液相分离及裂纹机制的影响。研究发现低能量密度（≤0.15 J/mm）可实现无缺陷沉积，而13-34 wt% Cu成分区间因δ→γ相变和残余液相不足导致裂纹敏感性升高。该研究为优化增材制造工艺参数、抑制裂纹形成提供了理论依据，对航空航天热管理部件开发具有重要价值。

　　

在极端环境应用中，兼具高热导率与机械强度的材料需求日益迫切。纯铜（Cu）虽具有401 W/(m·K)的优异热导率，但其较低的抗拉强度（约244 MPa）限制了结构应用；而沉淀硬化马氏体不锈钢STS 630（17Cr-5Ni-4Cu）虽具备780 MPa的高强度，却难以满足高效散热需求。传统制造方法难以实现这两种热物理性能迥异材料的可靠连接，而增材制造（AM）技术为构建此类双金属结构提供了新思路。然而，Cu的高激光反射率（>98%）与STS 630的巨大热膨胀系数差异（17×10^-6/K vs 11.8×10^-6/K）导致界面易产生裂纹，严重制约其工程应用。

针对这一挑战，韩国延世大学（Yonsei University）材料科学与工程系的研究团队采用粉末床熔融（PBF）技术，通过系统调控激光功率（150-400 W）和扫描速度（400-1200 mm/s），成功制备了纯铜-STS 630双金属结构，并揭示了其界面结合机制与裂纹形成规律。相关成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》上，为极端环境热管理部件的设计提供了重要参考。

研究采用FactSage 8.3热力学软件计算Fe-Cu体系的凝固温度区间（STR）和残余液相分数，结合光学显微镜（OM）和场发射扫描电镜（FE-SEM）表征微观结构，通过纳米压痕测试分析硬度分布，并利用微拉伸试验评估力学性能。X射线衍射（XRD）残余应力分析仪定量测量了界面残余应力分布。

3.1 沉积特性

研究发现能量密度显著影响缺陷类型：低能量密度（≤0.15 J/mm）下可获得无裂纹沉积；中等能量密度（0.17-0.44 J/mm）仅出现沉积裂纹；而高能量密度（≥0.5 J/mm）则同时引发沉积裂纹和边缘裂纹。残余应力测试显示，高能量组在铜过渡区产生-245 MPa的压应力，接近纯铜抗拉强度（244 MPa），导致边缘开裂。

3.2 元素分布与混合区深度

能量密度增加会加深混合区（89→397 μm），促进Fe/Cu原子互扩散。EDS分析显示，浅混合区（89 μm）成分梯度陡峭，而深混合区（397 μm）呈现平缓过渡，但液相分离范围随之扩大。

3.3 液相分离机制

快速冷却使Fe-Cu合金进入亚稳混溶间隙，通过旋节线（spinodal）和双节线（binodal）分解分离为富Fe（450 HV）和富Cu（140 HV）相。二次液相分离形成微米级球形颗粒，而残余Cu液相通过"回填效应"修复微裂纹。

3.4 裂纹形成机理

裂纹集中出现在13-34 wt% Cu成分区间，FactSage计算表明该区间具有宽STR（>300°C）和低残余液相分数（<25%）。δ-Fe（BCC）向γ-Fe（FCC）的相变抑制Cu扩散，导致枝晶间富Cu液膜滞留，在凝固收缩应力下形成裂纹。

3.5 力学性能影响

拉伸测试显示，浅混合区试样断裂发生在纯铜区（伸长率14-18%），而深混合区（397 μm）因相分离导致界面断裂（伸长率降至10.1%）。纳米压痕揭示混合区硬度呈梯度分布，但相分离引起局部硬度波动达±30 HV。

该研究通过多尺度表征明确了工艺参数-微观结构-性能的关联规律：低能量密度（≤0.15 J/mm）可抑制裂纹，但需平衡混合区深度与液相分离程度。特别值得注意的是，研究者首次定量确定了13-34 wt% Cu为裂纹敏感区间，并发现当残余液相分数超过27%时，回填效应可有效抑制裂纹。这些发现为优化PBF工艺参数提供了明确指导，使得双金属结构在保持纯铜优异热导率的同时，能通过STS 630的强化作用承受机械载荷。

研究还揭示了Fe-Cu体系独特的液相分离行为——在PBF超快冷却条件下（10⁵-10⁶ K/s），旋节线分解形成的纳米尺度相分离结构虽会降低塑性，但通过精确控制混合区深度（建议<200 μm），可兼顾界面强度与变形能力。该成果不仅为航空航天热端部件、压铸模具等应用提供了材料解决方案，其建立的裂纹预测模型还可推广至其他异种金属增材制造体系。未来研究可进一步探索中间层（如Ni合金）对残余应力的调控作用，以及多尺度相结构对热导率的影响机制。