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

北京航空航天大學管迎春教授聯(lián)合新加坡南洋理工大學周偉教授研究了一種新方法,，通過在W（鎢）表面制造微/納米結(jié)構(gòu)來增強W/Cu雙金屬的界面結(jié)合,。通過這種方法，成功制備了無過渡層的W/Cu雙金屬,，其結(jié)合強度達到123 MPa,。

“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析

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▲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雜構(gòu)件,，以滿足極端服役環(huán)境下構(gòu)件功能化應用需求。在可控核聚變,、航空航天,、電力等應用領(lǐng)域,，鎢-銅金屬構(gòu)件具備金屬鎢高熔點、低濺射和低氚滯留以及金屬銅優(yōu)異導熱,、導電等特性,，近年來備受關(guān)注。

現(xiàn)有研究表明,，在銅表面增材制造鎢時,，由于鎢與銅互不相容，未熔鎢粉末與液態(tài)銅混合導致接頭位置產(chǎn)生大量裂紋,、氣孔等缺陷,；在鎢表面增材制造銅時，由于鎢很難熔化,，高溫下液態(tài)銅在鎢表面潤濕性差,，鎢-銅接觸界面易產(chǎn)生嚴重翹曲。因此,，鎢-銅異種金屬增材制造連接界面缺陷抑制問題亟待進一步解決,。

北京航空航天大學管迎春教授聯(lián)合新加坡南洋理工大學周偉教授，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,，在無任何過渡層的前提下,，成功實現(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,，誘導表面納米結(jié)構(gòu)（如圖1）。進一步地,，在織構(gòu)化處理鎢表面鋪銅粉,，調(diào)控表面銅增材制造過程中材料熔化、流動及凝固行為,，實現(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)部毛細力，促進高溫下液態(tài)銅的快速鋪展，有效抑制鎢-銅界面缺陷的同時提高接頭處兩種金屬接觸面積,。此外,，超快激光改性進一步促進鎢-銅界面元素相互擴散層，增強兩種材料界面結(jié)合力,。最終,，鎢-銅異種金屬界面產(chǎn)生高質(zhì)量機械互鎖。

▲圖3：鎢表面激光織構(gòu)化對于銅增材過程調(diào)控

鎢-銅異種金屬斷裂機理示意圖如圖4所示,，縱向拉伸變形時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，裂紋進一步擴展至嵌入鎢內(nèi)部的銅,，實驗數(shù)據(jù)表明接頭拉伸斷裂強度接近擴散焊接鎢-銅接頭,。值得注意的是，互鎖接頭力學性能可以通過優(yōu)化鎢表面結(jié)構(gòu)以及界面銅增材制造工藝獲得進一步提升,。

▲圖4：鎢-銅互鎖接頭拉伸斷裂過程示意圖

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
來源
先進制造 l Light Adv. Manuf. | 難熔異種金屬增材制造界面性能增強新方法

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激光織構(gòu)化技術(shù)

通過激光織構(gòu)化技術(shù)可以改變材料表面的潤濕性,，制造出超疏水或超親水表面，應用于自清潔涂層,、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用場合,。激光織構(gòu)化技術(shù)在實際生產(chǎn)中具有廣泛的應用前景，以下是一些主要的應用領(lǐng)域：

• 機械零件表面改性：通過激光織構(gòu)化技術(shù),，可以在機械零件表面制造出特定的微結(jié)構(gòu),，用以改善其摩擦學性能，減少磨損和降低能耗,。例如,，在汽車發(fā)動機的缸孔表面進行激光織構(gòu)化,，可以減少零件摩擦磨損,，降低發(fā)動機油耗，實現(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,，如促進細胞附著和生長,，或者減少細菌粘附，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和混合,，而在光學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。

• 太陽能電池：在太陽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,。

• 微反應器和傳感器：在微反應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)在實際生產(chǎn)中具有廣泛的應用前景,，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熱,、導電性能的領(lǐng)域,。

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

• 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)動機的噴嘴、航天器的熱防護系統(tǒng)等,，利用銅的高熱導率來散熱,，同時保持結(jié)構(gòu)的強度和剛性。

• 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備,，如開關(guān)設備、斷路器等,，這些設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,、計算機CPU和GPU的散熱,，鎢-銅合金可以提供高效的熱傳導解決方案 。在電子器件中,，鎢-銅互鎖連接技術(shù)可以用來制造高性能的散熱器,，將電子器件產(chǎn)生的熱量迅速傳導出去，提高設備的穩(wěn)定性和壽命,。

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

通過激光織構(gòu)化技術(shù)實現(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,，有望推動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應用。