北京科技大学《Acta Materialia》：梯度材料增材制造实现NiWCo/Cu异质合金溶质置换助力高温承载与高效导热功能一体化

Ni基高温合金凭借优异的高温强度和抗蠕变性能，广泛应用于航空航天与能源装备。然而，随着服役温度不断提高，传统微合金化设计逐渐受到材料本征性能的限制。过去20年间，新型Ni基高温合金的服役温度仅提升约20 ℃。因此可以使用另一策略：将具有高热导率的Cu，与Ni基高温合金进行材料一体化设计，使Ni基高温合金端在高温下承受载荷，同时由Cu端快速导出热量，降低构件温度并提升高温服役能力。因此，构建兼具耐高温与快速散热功能的superalloy/Cu异质材料，是实现高温构件结构与功能一体化的重要方向。

然而，Ni基高温合金与Cu异质材料的一体化制备并不容易。一方面，高温合金与Cu在熔点、热物性和互溶性方面差异显著，复合时难以形成稳定的冶金结合；另一方面，常规高温合金为获得高温性能通常含有Al、Ti等多种合金化元素，这些元素在Cu参与下容易形成粗大、脆性的金属间化合物，进一步削弱界面结合与结构完整性。另外，传统熔焊的热输入和热影响区较大，局部熔池成分与凝固过程难以精细调控，因而难以同时解决冶金不相容、有害相生成和界面热阻等问题。

针对这一难题，北京科技大学曲选辉教授、张百成教授团队通过自研梯度材料增材制造系统以溶质置换反应为界面设计核心，将高钨含量的全固溶单相合金NiWCo与Cu结合，利用激光粉末床熔融(LPBF)能量精准调控和快速冷却的优势，实现异质材料一体化成形。溶质置换反应具体指：Cu固溶进Ni基FCC晶格，利用W-Cu不互溶、高混合焓，将W置换出来，形成“Cu入、W出”的界面反应。团队通过精细调控局部熔池的能量输入与凝固过程，使析出的BCC-W颗粒保持细小、均匀、弥散，既避免粗大脆性金属间化合物，又能同时发挥第二相强化和固溶强化作用，实现了界面强度和热导率的双重提升。

相关成果以“Strength and thermal conductivity enhancement by solute substitution during laser powder bed fusion of NiWCo/Cu dissimilar alloy joint”为题，发表于国际顶级材料学术期刊《Acta Materialia》。北京科技大学博士研究生雷晨旭、兰州大学博士后吴晓科成为论文共同第一作者，北京科技大学张百成教授、印度理工学院Ramasubramanian Lakshmi Narayan教授为论文共同通讯作者。

https://authors.elsevier.com/c/1nzJ24r9SUeqLa

研究成果介绍

1、界面过渡特征：元素互扩散与局部晶粒细化。LPBF一体化制备的NiWCo/Cu异质合金整体无明显翘曲，界面呈波浪状且未观察到裂纹。NiWCo侧主要由柱状晶和等轴晶组成，Cu侧则为粗大等轴晶；靠近界面约0.2 mm范围内发生明显晶粒细化，并在NiWCo侧形成尺寸约0.5–2 μm的超细柱状晶。EDS结果显示，Cu与Ni在界面两侧发生互扩散，同时W在界面局部富集。EBSD进一步表明，界面区域高角度晶界与局部取向差增多，并检测到平均粒径为0.76 ± 0.20 μm的BCC-W相，为后续形成多尺度强化界面奠定了组织基础。

图1. (a)NiWCo/Cu异质合金、(b)NiWCo区域和(c)Cu区域的代表性微观组织；(d-e)沿成形方向(BD)的元素含量变化。

图2. NiWCo/Cu试样中NiWCo区域(上部)、扩散区(中部)和Cu区域(下部)的(a-c)EBSD反极图、(d)晶界图和(e)核平均取向差(KAM)图；(f)扩散区相分布图及(g)扩散区BCC相平均晶粒尺寸统计结果；(h)FCC-Ni(上部)、BCC-W(中部)和FCC-Cu(下部)沿X、Y、Z方向的反极图。

2、双相异质结构：FCC基体中弥散析出BCC-W颗粒。高分辨SEM、XRD和TEM共同表明，NiWCo/Cu界面形成了以化学非均匀FCC基体为连续相、亚微米级BCC-W颗粒为弥散相的双相异质结构。该结构由溶质置换反应的热力学选择性与LPBF可控能量输入、快速凝固过程共同构筑：溶质置换驱动W从FCC固溶体中析出，LPBF则通过激光功率和扫描速度等参数精细调控局部熔池及凝固过程，使析出相保持细小、弥散，并抑制粗大脆性金属间化合物形成。在约5 μm厚的W富集层中，W颗粒平均直径约为0.7 μm；富Cu与富Ni FCC区域具有相同的[110]晶带轴，表现出局部取向继承。BCC-W与FCC基体的界面错配度约为4.8%，并可观察到周期性错配位错，说明二者形成半共格界面。细小弥散的BCC-W硬质颗粒可阻碍位错运动并发挥第二相强化作用；同时，FCC/BCC变形不协调及密集相界面促进GND积累（位错强化），与细晶强化和固溶强化共同提高界面强度。

图3. NiWCo/Cu扩散区的(a)微观组织及(b)相应的元素分布图。

图4. (a)NiWCo/Cu异质合金不同区域沿成形方向(BD)的XRD图谱；(b)2θ=42°-45°范围内的局部放大XRD图谱。

图5. (a)NiWCo/Cu界面聚焦离子束薄片的SEM图像；(b)析出相的明场TEM(BF-TEM)图像；(c)相应的EDS元素分布图；(d-f)富Cu FCC相、富Ni FCC相和BCC相的选区电子衍射(SAED)花样；(g)FCC/BCC相界面的HRTEM图像；(h)相应的快速傅里叶变换(FFT)图；(i)反FFT图像。

3、功能一体化：强度和导热协同提升。NiWCo/Cu异质合金在室温下的屈服强度、抗拉强度和延展度分别为214.03 MPa、220.47 MPa和24.3%；在200 ℃下仍保持186.45 MPa的屈服强度和约23.1%的延展度。拉伸和剪切试样均在Cu区域发生变形与断裂，说明界面结合强度高于Cu基体，测得的223 MPa剪切强度仅为界面剪切强度的下限。该异质合金在300 ℃时的热导率达到21.33 W/(m·K)，接近NiWCo的两倍；单侧加热时其平衡温度比NiWCo低约48 ℃，停止加热后冷却也更快。这表明NiWCo端能够保持高温承载，Cu端则可快速导出热量，实现高温力学性能与散热功能一体化，为提升构件的高温服役能力提供了新的材料方案。

图6. (a)NiWCo/Cu试样界面显微硬度演变；(b)NiWCo/Cu试样在室温(RT)和200 ℃下的拉伸应力-应变曲线，插图为拉伸后的NiWCo/Cu试样及断口形貌；(c)本研究试样与采用不同技术制备的高温合金/Cu试样的剪切强度和拉伸强度对比；(d)不同温度下NiWCo合金、纯Cu和NiWCo/Cu异质合金的热导率曲线。

图7. NiWCo/Cu和NiWCo试样从加热到冷却过程中的温度-时间曲线及相应温度下的维氏硬度。

4、溶质置换机制：Cu进入Ni晶格并驱动BCC-W析出。界面组织的形成源于Ni、W和Cu之间显著不同的热力学相容性：Ni与Cu可完全互溶，而W与Cu具有较大的正混合焓，彼此完全不互溶。当Cu进入NiWCo熔池后，Cu优先进入Ni晶格并取代其中的W，使W从FCC固溶体中排出。吉布斯自由能分析进一步表明，W在含Cu的FCC相中稳定性更低，因而具有向BCC相迁移并形成W富集颗粒的热力学驱动力。这一“Cu入、W出”的溶质置换过程避免了脆性金属间化合物的形成，并直接促成FCC/BCC双相界面。从机制上看，溶质置换反应决定“析出何种相”，而LPBF的可控能量输入与快速凝固过程调控“析出相的尺寸与分布”，二者协同构筑细小弥散的BCC-W/FCC层级界面，并使BCC-W硬质颗粒进一步贡献第二相强化。

图8. (a)溶质置换反应的热力学原理；(b)FCC-NiWx和FCC-NiWxCu相的吉布斯自由能随W含量变化的示意图。

5、相场模拟解析：揭示FCC/BCC界面的凝固演化路径。多相场模拟进一步还原了界面组织的形成过程：溶质置换后，熔体中的W首先析出并形成W含量约99 wt.%的BCC相；随着冷却，BCC-W颗粒逐渐长大，其周围液相中的W含量随之降低。随后，大过冷度促使FCC相在液相中大量形核并相互贯通形成连续基体，将BCC-W颗粒包覆其中；继续降温后，FCC相发生调幅分解，形成富Cu和富Ni的FCC区域，并基本保留母相的晶体学取向。模拟得到的BCC-W弥散分布于FCC基体中的最终组织与显微观察结果一致，说明溶质置换、快速凝固及后续成分分解共同构建了该层级界面。

图9. x(Cu)=50 at.%时NiWCo/Cu界面的相场模拟组织快照：(a)0.1 s；(b)2.0 s；(c)2.3 s；(d)3.0 s。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文团队支持。

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