北京航空航天大学等 l 难熔异种金属增材制造界面性能增强新方法

| 3DScienceValley · 2024/10/08

谷专栏

W/Cu双金属因其独特的物理性质，在核聚变反应堆、航空航天器和电力等领域有广泛应用。W和Cu的物理性质差异导致它们难以高质量连接。传统的连接方法如钎焊、扩散焊和爆炸焊在连接W和Cu时存在挑战。

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研究了一种新方法，通过在W（钨）表面制造微/纳米结构来增强W/Cu双金属的界面结合。通过这种方法，成功制备了无过渡层的W/Cu双金属，其结合强度达到123 MPa。

“ 3D Science Valley 白皮书图文解析

”

▲飞秒激光纹理W 的表面形貌：a W 表面和 b 微槽侧壁的 SEM 图像。c W 表面的 3D 形貌和 d 沿 c 中白线的深度轮廓。

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

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。

▲图4：钨-铜互锁接头拉伸断裂过程示意图

I 论文信息

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
来源
先进制造 l Light Adv. Manuf. | 难熔异种金属增材制造界面性能增强新方法

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激光织构化技术

通过激光织构化技术可以改变材料表面的润湿性，制造出超疏水或超亲水表面，应用于自清洁涂层、防雾涂层、防冰表面等。激光织构化技术可以模仿自然界中的表面结构（如荷叶、鲨鱼皮等），激光织构化技术可以用于制造具有特定功能的仿生表面，如减阻、抗污、防冰等。激光表面织构化可以用于提高材料表面的硬度和耐磨性，适用于需要高耐磨性的应用场合。激光织构化技术在实际生产中具有广泛的应用前景，以下是一些主要的应用领域：

机械零件表面改性：通过激光织构化技术，可以在机械零件表面制造出特定的微结构，用以改善其摩擦学性能，减少磨损和降低能耗。例如，在汽车发动机的缸孔表面进行激光织构化，可以减少零件摩擦磨损，降低发动机油耗，实现节能减排。

刀具和模具表面加工：激光织构化可用于在刀具和模具表面制造微纹理，以提高其耐磨性和抗粘附性，从而提高工具的使用寿命和性能。

生物医学领域：激光表面织构化可以用于改善植入物的表面特性，如促进细胞附着和生长，或者减少细菌粘附，从而提高植入物与生物组织的相容性。

微流体和光学器件：在微流体通道中制造微结构可以控制流体的流动和混合，而在光学器件表面制造特定微结构可以用于控制光的传播和散射。

太阳能电池：在太阳能电池表面制造微结构可以增加光的捕获和吸收，提高电池的光电转换效率。

微反应器和传感器：在微反应器和传感器表面制造微结构可以增加表面积，提高反应效率和灵敏度。

钨-铜异种金属互锁

钨-铜异种金属互锁连接技术在实际生产中具有广泛的应用前景，尤其是在那些需要结合钨的耐高温、低溅射特性和铜的高导热、导电性能的领域。

核聚变反应堆：钨因其高熔点和低中子活化特性，适用于核聚变反应堆中的面向等离子体材料。通过与铜的互锁连接，可以提高散热效率，维持反应堆稳定运行。

航空航天：航空航天领域需要轻质且耐高温的材料。钨-铜合金可以用于制造火箭发动机的喷嘴、航天器的热防护系统等，利用铜的高热导率来散热，同时保持结构的强度和刚性。

电力行业：在电力行业中，钨-铜连接技术可以用于制造高性能的电力传输和分配设备，如开关设备、断路器等，这些设备需要在高电流和高热环境下稳定工作。

热管理解决方案：在需要精确热管理的领域，如LED照明、计算机CPU和GPU的散热，钨-铜合金可以提供高效的热传导解决方案。在电子器件中，钨-铜互锁连接技术可以用来制造高性能的散热器，将电子器件产生的热量迅速传导出去，提高设备的稳定性和寿命。

生物医学：在生物医学领域，钨-铜合金可以用于制造医疗设备和仪器的部件，这些部件需要在人体内部或在高温消毒过程中保持稳定。

通过激光织构化技术实现的钨-铜异种金属互锁连接，为这些领域提供了一种新的材料连接方法，有望推动相关技术的发展和应用。