导读

异种金属增材制造是利用两种或两种以上金属增材成形同一复杂构件，以满足极端服役环境下构件功能化应用需求。在可控核聚变、航空航天、电力等应用领域，钨-铜金属构件具备金属钨高熔点、低溅射和低氚滞留以及金属铜优异导热、导电等特性，近年来备受关注。

现有研究表明，在铜表面增材制造钨时，由于钨与铜互不相容，未熔钨粉末与液态铜混合导致接头位置产生大量裂纹、气孔等缺陷；在钨表面增材制造铜时，由于钨很难熔化，高温下液态铜在钨表面润湿性差，钨-铜接触界面易产生严重翘曲。因此，钨-铜异种金属增材制造连接界面缺陷抑制问题亟待进一步解决。

北京航空航天大学管迎春教授联合新加坡南洋理工大学周伟教授，创新提出了一种基于钨表面织构的钨-铜异种金属互锁连接新方法，在无任何过渡层的前提下，成功实现了增材制造钨-铜异种金属接头的高性能连接，为难熔异种金属增材制造提供全新参考，该成果以“Improving bonding strength of W/Cu dual metal interface through laser micro-structuring method”为题，发表在Light: Advanced Manufacturing。

该方法先在难加工金属钨表面激光加工高深径比沟槽结构，并基于超快激光与钨材料间相互作用，诱导表面纳米结构（如图1）。进一步地，在织构化处理钨表面铺铜粉，调控表面铜增材制造过程中材料熔化、流动及凝固行为，实现钨-铜异种金属互锁连接，如图2所示。

图1：激光增材制造钨-铜异种金属宏/微观结构

图2：增材制造钨-铜异种金属宏/微观照片

如图3所示，在激光织构化钨表面增材制造铜过程中，一方面，表面微纳结构改善高温下液态铜在钨表面的润湿性；另一方面，高深径比沟槽结构还可以提高液态铜在微结构内部毛细力，促进高温下液态铜的快速铺展，有效抑制钨-铜界面缺陷的同时提高接头处两种金属接触面积。此外，超快激光改性进一步促进钨-铜界面元素相互扩散层，增强两种材料界面结合力。最终，钨-铜异种金属界面产生高质量机械互锁。

图3：钨表面激光织构化对于铜增材过程调控

钨-铜异种金属断裂机理示意图如图4所示，纵向拉伸变形时裂纹起源于未激光织构化钨与增材制造铜的接触表面，加载力增大后，裂纹进一步扩展至嵌入钨内部的铜，实验数据表明接头拉伸断裂强度接近扩散焊接钨-铜接头。值得注意的是，互锁接头力学性能可以通过优化钨表面结构以及界面铜增材制造工艺获得进一步提升。（来源：先进制造微信公众号）

图4：钨-铜互锁接头拉伸断裂过程示意图

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2024.033