W/Cu雙金屬因其獨(dú)特的物理性質(zhì)，在核聚變反應(yīng)堆、航空航天器和電力等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。W和Cu的物理性質(zhì)差異導(dǎo)致它們難以高質(zhì)量連接。傳統(tǒng)的連接方法如釬焊、擴(kuò)散焊和爆炸焊在連接W和Cu時(shí)存在挑戰(zhàn)。

北京航空航天大學(xué)管迎春教授聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)周偉教授研究了一種新方法，通過(guò)在W（鎢）表面制造微/納米結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)W/Cu雙金屬的界面結(jié)合。通過(guò)這種方法，成功制備了無(wú)過(guò)渡層的W/Cu雙金屬，其結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到123 MPa。

“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析

”

▲飛秒激光紋理W 的表面形貌：a W 表面和 b 微槽側(cè)壁的 SEM 圖像。c W 表面的 3D 形貌和 d 沿 c 中白線的深度輪廓。

https://doi.org/10.37188/lam.2024.033

異種金屬增材制造是利用兩種或兩種以上金屬增材成形同一復(fù)雜構(gòu)件，以滿足極端服役環(huán)境下構(gòu)件功能化應(yīng)用需求。在可控核聚變、航空航天、電力等應(yīng)用領(lǐng)域，鎢-銅金屬構(gòu)件具備金屬鎢高熔點(diǎn)、低濺射和低氚滯留以及金屬銅優(yōu)異導(dǎo)熱、導(dǎo)電等特性，近年來(lái)備受關(guān)注。

現(xiàn)有研究表明，在銅表面增材制造鎢時(shí)，由于鎢與銅互不相容，未熔鎢粉末與液態(tài)銅混合導(dǎo)致接頭位置產(chǎn)生大量裂紋、氣孔等缺陷；在鎢表面增材制造銅時(shí)，由于鎢很難熔化，高溫下液態(tài)銅在鎢表面潤(rùn)濕性差，鎢-銅接觸界面易產(chǎn)生嚴(yán)重翹曲。因此，鎢-銅異種金屬增材制造連接界面缺陷抑制問(wèn)題亟待進(jìn)一步解決。

北京航空航天大學(xué)管迎春教授聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)周偉教授，創(chuàng)新提出了一種基于鎢表面織構(gòu)的鎢-銅異種金屬互鎖連接新方法，在無(wú)任何過(guò)渡層的前提下，成功實(shí)現(xiàn)了增材制造鎢-銅異種金屬接頭的高性能連接，為難熔異種金屬增材制造提供全新參考，該成果以“Improving bonding strength of W/Cu dual metal interface through laser micro-structuring method”為題，發(fā)表在Light: Advanced Manufacturing。

該方法先在難加工金屬鎢表面激光加工高深徑比溝槽結(jié)構(gòu)，并基于超快激光與鎢材料間相互作用，誘導(dǎo)表面納米結(jié)構(gòu)（如圖1）。進(jìn)一步地，在織構(gòu)化處理鎢表面鋪銅粉，調(diào)控表面銅增材制造過(guò)程中材料熔化、流動(dòng)及凝固行為，實(shí)現(xiàn)鎢-銅異種金屬互鎖連接，如圖2所示。

▲圖1：激光增材制造鎢-銅異種金屬宏/微觀結(jié)構(gòu)

▲圖2：增材制造鎢-銅異種金屬宏/微觀照片

如圖3所示，在激光織構(gòu)化鎢表面增材制造銅過(guò)程中，一方面，表面微納結(jié)構(gòu)改善高溫下液態(tài)銅在鎢表面的潤(rùn)濕性；另一方面，高深徑比溝槽結(jié)構(gòu)還可以提高液態(tài)銅在微結(jié)構(gòu)內(nèi)部毛細(xì)力，促進(jìn)高溫下液態(tài)銅的快速鋪展，有效抑制鎢-銅界面缺陷的同時(shí)提高接頭處兩種金屬接觸面積。此外，超快激光改性進(jìn)一步促進(jìn)鎢-銅界面元素相互擴(kuò)散層，增強(qiáng)兩種材料界面結(jié)合力。最終，鎢-銅異種金屬界面產(chǎn)生高質(zhì)量機(jī)械互鎖。

▲圖3：鎢表面激光織構(gòu)化對(duì)于銅增材過(guò)程調(diào)控

鎢-銅異種金屬斷裂機(jī)理示意圖如圖4所示，縱向拉伸變形時(shí)裂紋起源于未激光織構(gòu)化鎢與增材制造銅的接觸表面，加載力增大后，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展至嵌入鎢內(nèi)部的銅，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明接頭拉伸斷裂強(qiáng)度接近擴(kuò)散焊接鎢-銅接頭。值得注意的是，互鎖接頭力學(xué)性能可以通過(guò)優(yōu)化鎢表面結(jié)構(gòu)以及界面銅增材制造工藝獲得進(jìn)一步提升。

▲圖4：鎢-銅互鎖接頭拉伸斷裂過(guò)程示意圖

I 論文信息

Xing Li, Quanjie Wang, Libing Lu, Yingchun Guan, Wei Zhou. Improving bonding strength of W/Cu dual metal interface through laser micro-structuring method[J]. Light: Advanced Manufacturing 5, 33(2024).

https://doi.org/10.37188/lam.2024.033
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先進(jìn)制造 l Light Adv. Manuf. | 難熔異種金屬增材制造界面性能增強(qiáng)新方法

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激光織構(gòu)化技術(shù)

通過(guò)激光織構(gòu)化技術(shù)可以改變材料表面的潤(rùn)濕性，制造出超疏水或超親水表面，應(yīng)用于自清潔涂層、防霧涂層、防冰表面等。激光織構(gòu)化技術(shù)可以模仿自然界中的表面結(jié)構(gòu)（如荷葉、鯊魚皮等），激光織構(gòu)化技術(shù)可以用于制造具有特定功能的仿生表面，如減阻、抗污、防冰等。激光表面織構(gòu)化可以用于提高材料表面的硬度和耐磨性，適用于需要高耐磨性的應(yīng)用場(chǎng)合。激光織構(gòu)化技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景，以下是一些主要的應(yīng)用領(lǐng)域：

• 機(jī)械零件表面改性：通過(guò)激光織構(gòu)化技術(shù)，可以在機(jī)械零件表面制造出特定的微結(jié)構(gòu)，用以改善其摩擦學(xué)性能，減少磨損和降低能耗。例如，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸孔表面進(jìn)行激光織構(gòu)化，可以減少零件摩擦磨損，降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

• 刀具和模具表面加工：激光織構(gòu)化可用于在刀具和模具表面制造微紋理，以提高其耐磨性和抗粘附性，從而提高工具的使用壽命和性能。

• 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：激光表面織構(gòu)化可以用于改善植入物的表面特性，如促進(jìn)細(xì)胞附著和生長(zhǎng)，或者減少細(xì)菌粘附，從而提高植入物與生物組織的相容性。

• 微流體和光學(xué)器件：在微流體通道中制造微結(jié)構(gòu)可以控制流體的流動(dòng)和混合，而在光學(xué)器件表面制造特定微結(jié)構(gòu)可以用于控制光的傳播和散射。

• 太陽(yáng)能電池：在太陽(yáng)能電池表面制造微結(jié)構(gòu)可以增加光的捕獲和吸收，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

• 微反應(yīng)器和傳感器：在微反應(yīng)器和傳感器表面制造微結(jié)構(gòu)可以增加表面積，提高反應(yīng)效率和靈敏度。

鎢-銅異種金屬互鎖

鎢-銅異種金屬互鎖連接技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在那些需要結(jié)合鎢的耐高溫、低濺射特性和銅的高導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能的領(lǐng)域。

• 核聚變反應(yīng)堆：鎢因其高熔點(diǎn)和低中子活化特性，適用于核聚變反應(yīng)堆中的面向等離子體材料。通過(guò)與銅的互鎖連接，可以提高散熱效率，維持反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行。

• 航空航天：航空航天領(lǐng)域需要輕質(zhì)且耐高溫的材料。鎢-銅合金可以用于制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴、航天器的熱防護(hù)系統(tǒng)等，利用銅的高熱導(dǎo)率來(lái)散熱，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性。

• 電力行業(yè)：在電力行業(yè)中，鎢-銅連接技術(shù)可以用于制造高性能的電力傳輸和分配設(shè)備，如開(kāi)關(guān)設(shè)備、斷路器等，這些設(shè)備需要在高電流和高熱環(huán)境下穩(wěn)定工作。

• 熱管理解決方案：在需要精確熱管理的領(lǐng)域，如LED照明、計(jì)算機(jī)CPU和GPU的散熱，鎢-銅合金可以提供高效的熱傳導(dǎo)解決方案 。在電子器件中，鎢-銅互鎖連接技術(shù)可以用來(lái)制造高性能的散熱器，將電子器件產(chǎn)生的熱量迅速傳導(dǎo)出去，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命。

• 生物醫(yī)學(xué)：在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，鎢-銅合金可以用于制造醫(yī)療設(shè)備和儀器的部件，這些部件需要在人體內(nèi)部或在高溫消毒過(guò)程中保持穩(wěn)定。

通過(guò)激光織構(gòu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的鎢-銅異種金屬互鎖連接，為這些領(lǐng)域提供了一種新的材料連接方法，有望推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。