中外四校联合顶刊丨钢/铜梯度合金的激光粉末床熔融：高通量增材制造发现材料强化新机理！
在发电、空调、热交换器和压铸工业等领域，研发铜铁合金具有重要的实践意义，因其兼具铜的优异导热/导电性和316L的高强度与高韧性。然而，将Cu合金与钢混合存在挑战。首先，由于铜合金和钢的热膨胀系数(CTEs)差异大，导致在铜合金-不锈钢界面处产生大量失配应变和残余应力，可能引起开裂。其次，这两种合金在固态和液态下是互不相溶的，从而需重点关注其界面结构完整性。第三，观察在冷却两种合金的熔融混合物时发现，钢先凝固导致液态铜合金渗入其晶界。在凝固过程中，铜合金发生收缩，导致材料产生液化裂纹。因此，传统的加工方法如铸造等，无法成功混合铜-钢合金。已有学者通过激光粉末床熔融（LPBF）技术将Cu和Fe混合为纯金属混合物或合金形式，但仍存在重要问题。截至目前，基于熔炼、形变、粉末冶金等铜铁合金制备方法尚未实现纳米级铁颗粒的弥散分布控制。
为了解决这一问题，北京科技大学北京材料基因工程高精尖创新中心、中南大学粉末冶金国家重点实验室、印度理工学院以及新加坡南洋理工大学等研究人员联合通过高通量实验平台研究了激光粉末床熔融（LPBF）增材制造制备的Cu10Sn-SS316L（青铜-奥氏体316L不锈钢）成分梯度合金的显微组织和力学性能。通过实验筛选，发现在80%Cu10Sn-20%SS316L的成分配比下，沉积部件具有远高于两种原材料的力学性能（UTS>800 MPa，EL>9%）。
通过实验观察与模拟研究，在LPBF微观熔池中，在马尔戈尼效应以及熔池末端声波作用下，双液相被进一步分散均匀化。同时，在超快冷速（106~107K/s）的条件下，富铜液相发生了纳米尺度下的旋节分解，最终形成了弥散分布在铜基体中的纳米级BCC相球形铁颗粒结构，这种纳米结构在材料形变过程中起到钉扎作用，从而提高了力学性能。这一发现为高能束增材制造材料设计与性能优化提供了一条崭新的思路。
图1. 梯度打印示意图及试样样品
图2. 20, 40, 60 and 80 wt.% Cu10Sn成分切片的高倍BSE照片
图3. 不同成分下的组织及取向变化
图4. 具有BCC相富铁纳米球形结构的微观组织照片
图5. 增材制造方法和传统工艺生产的Cu-Fe合金极限抗拉强度和伸长率比较
图6. 力学性能分布及断口照片
图7. (a)从80 wt. % Cu10Sn的拉伸试样中提取的TEM明场像 (b) α-Cu和α-Fe界面的HRTEM图像和 (c)基体中的层错图像 (d)为(c)中层错的FFT和IFFT图像
相关研究成果以题为 “Laser powder bed fusion of immiscible steel and bronze: A compositional gradient approach for optimum constituent combination” 的论文发表在材料学顶刊《Acta Materials》上。
