北京科技大学《Acta Materialia》：打破传统！实现异种金属连接机制创新

2026-02-26 11:32:42 作者：本网发布来源：材料科学与工程分享至：

异种金属结构因能够整合不同材料的性能优势，在航空航天、先进能源装备、电子散热系统以及极端服役环境构件等领域展现出重要应用潜力。通过合理的界面设计，可实现强度、导热、耐蚀等多性能协同优化，推动结构功能一体化材料的发展。在众多异种金属体系中，铜与Ti6Al4V钛合金的组合尤为典型。铜具有优异的导热导电性能，而Ti6Al4V则兼具高比强度与良好的耐蚀性能。理论上，将两者有效连接，可构建兼具“高强度与高导热”的结构功能一体化构件。然而，在实际工程应用中，Cu与Ti之间显著的热物理性能差异以及强烈的化学反应倾向，使界面在高温条件下极易生成脆性金属间化合物（IMCs）。这些脆性相会削弱界面结合强度，诱发开裂甚至失效，长期制约着Cu/Ti异种结构的可靠应用。

传统异种金属连接通常遵循“材料互溶”原则，通过选择能够与两侧母材形成稳定固溶体或过渡相的中间层，从而实现连续冶金结合。然而，对于Cu/Ti体系而言，这一传统思路却面临根本性挑战。Cu与Ti之间存在显著的热力学不相容性和复杂的界面反应行为，即便引入其他材料作为中间层，也无法实现材料之间的全互溶避免IMCs的形成。同时，界面结构往往增加界面热阻，削弱原本追求的高导热优势。因此，在Cu/Ti异种金属连接中，单纯依赖“构建互溶界面”的传统策略难以同时实现高界面强度与高热导率的协同优化。如何突破传统互溶设计范式，在保证材料可打印性的前提下，实现界面结构与性能的协同调控，成为当前多材料增材制造领域亟待解决的核心科学问题。

为解决这一难题，北京科技大学曲选辉教授、张百成教授团队围绕Cu/Ti异种金属连接这一长期困扰材料界的关键科学问题，提出了一种基于增材制造的原位双界面设计新策略，实现了界面强度与热导性能的协同突破。相关成果以“In situ alloying during laser powder bed fusion of Cu/Ti6Al4V dissimilar alloy joint with miscible/immiscible dual-interface for high strength and thermal conductivity”为题，发表于国际顶级材料学术期刊《Acta Materialia》。北京科技大学硕士研究生叶哲成为论文第一作者，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。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122005

本文研究亮点：

1、界面设计范式突破：互溶/非互溶双界面结构设计

研究团队从热力学混合焓、相图特征以及扩散行为出发，系统筛选中间层材料，最终选定Nb作为界面调控层，并提出“互溶/非互溶双界面协同设计”理念。在该设计中，Nb与Ti6Al4V之间形成互溶界面，Nb元素在增材制造过程中向Ti侧扩散，并形成成分梯度过渡层，实现连续冶金结合；而在Cu/Nb侧，则利用两者固态不互溶的特性，在极端非平衡凝固条件下构建具有三维机械互锁特征的非互溶界面，避免了IMCs的形成。该策略突破了传统界面设计中“全互溶”的思路，建立了一种双机制协同调控的新范式。

图1. Cu/Nb/Ti6Al4V试样界面元素分布

图2. Cu/Nb/Ti6Al4V试样相组成

图3. Cu/Nb/Ti6Al4V 试样界面EBSD表征

2、打印凝固策略创新：梯度互溶界面与机械互锁非互溶界面构建

在激光选区熔化（L-PBF）过程中，研究团队通过自主研发高通量增材制造设备精准调控界面区域的激光能量密度和扫描参数，使Nb/Ti界面形成稳定的元素梯度结构。同时在Cu/Nb界面诱导出复杂的熔池流动与液相分解行为，极端非平衡凝固条件与超快冷却速率使原本在平衡条件下难以保留的液态分离结构被快速凝固，从而在界面区域构建出分级异质结构。

图4. Cu/Nb非互溶界面形貌表征

3、非互溶异质结构创新：极端非平衡条件下诱导的双尺度异质微观结构

微观结构分析表明，在Cu/Nb界面处形成了独特的双尺度组织：一方面，在微米级Nb基体中弥散分布纳米级Cu颗粒；另一方面，在Cu基体中嵌入纳米Nb颗粒。这种双尺度异质结构源于高温液态下的局部互溶与后续冷却过程中的液相分解与自旋分解行为，在超快凝固过程中被保留。该发现揭示了增材制造极端动力学条件下非互溶体系中原位纳米结构形成的新机制，为非平衡冶金提供了新的实验佐证。

图5. Cu/Nb非互溶界面TEM物相分析和纳米异质结构表征

4、性能协同突破：强度与热导率协同提升

在宏观性能方面，所制备的Cu/Nb/Ti6Al4V异种结构表现出优异的综合性能。材料的抗拉强度达到254 MPa，剪切强度达到234 MPa，拉伸断裂位置发生在铜基体一侧而非界面区域，表明界面强度已超过铜母材本身。与此同时，样品热导率达到64 W/(m·K)，较Ti6Al4V提高约六倍，实现了强度与导热性能的协同提升。这一结果突破了传统Cu/Ti连接体系中强度—导热的性能权衡困境。

图6. Cu/Nb/Ti6Al4V 试样力学及导热性能表征

5、非互溶界面形成与强化机制：非互溶结构的多机制协同作用

为揭示结构的形成机制，研究团队结合数值模拟，分析了增材制造过程中熔池流动与温度演化行为。结果显示，在激光高能量输入下，Cu与Nb界面区域产生强烈对流，使液态金属发生局部混合。随着快速冷却，体系进入液相分离阶段，在 L_Nb-rich 和 L_Cu-rich 两种富集液相内部不断析出并演化，最终形成三维机械互锁结构。模拟结果与显微组织观察高度一致，验证了该界面结构形成的物理过程。同时，热传导模型表明，梯度互溶界面有助于降低界面热阻，而非互溶机械互锁结构在增强强度的同时并未显著阻碍热流传输，实现了强度与导热性能的协同优化。