摘要
Ti6Al4V 与 CoCrFeNi 异种金属增材制造的核心瓶颈在于 Ti 与 Fe、Co、Ni 强化学亲和力，会生成脆性金属间化合物并引发严重界面开裂。延展性良好的 Cu 中间层虽可改善冶金相容性，但连续 Cu-Ti 金属间化合物仍会劣化界面完整性，诱发早期失效。本文提出 Al 改性 Cu 中间层策略，用于调控激光定向能量沉积过程的界面反应。Al 元素的加入使界面相演化路径由多种连续 Cu-Ti 二元化合物转向 Cu/Cu₂TiAl 网状异质结构，降低晶格失配，优化冶金结合，抑制界面开裂。连续富 Cu 网络可促进塑性协调、抑制局部应力集中，最终中间层 / CoCrFeNi 界面剪切强度由 185.1 MPa 提升至 321.7 MPa，增幅达 73.8%。本工作建立了成分调控界面化合物形成的技术路径，将有害的金属间化合物转化为力学相容的异质结构，为冶金相容性差的钛基异种金属增材连接中间层设计提供新思路。 本文创新方法：采用 Al 改性 Cu 中间层，通过激光定向能量沉积制备 Ti6Al4V/Cu-Al/CoCrFeNi 异种金属结构；利用 Cu-Ti-Al 三元体系相选择调控，将连续脆性 Cu-Ti 二元金属间化合物转化为 Cu/Cu₂TiAl 网状异质结构；结合 EBSD、TEM、纳米压痕、剪切测试与 DFT 第一性原理计算，系统揭示界面相演化规律与强韧化机制；解决的科学问题：Ti6Al4V 与 CoCrFeNi 直接增材连接时，Ti 与 Fe/Co/Ni 反应生成脆性金属间化合物，界面开裂严重；纯 Cu 中间层仍会形成连续 Cu-Ti 二元脆性化合物层，界面结合差、易发生早期失效；缺少通过单中间层成分改性，将有害连续金属间化合物转化为力学相容异质结构的界面调控策略。
图文导读
图 1 (a) Ti6Al4V / 纯 Cu/CoCrFeNi 异种金属截面 SEM 图像；(b) 纯 Cu/CoCrFeNi 界面微观组织与元素分布；(c) Ti6Al4V / 纯 Cu 界面微观组织与元素分布；(d) 异种金属不同区域微区 X 射线衍射图谱；(e) 纯 Cu 中间层内电子探针元素分布图；(f) Ti6Al4V/Cu-Al/CoCrFeNi 异种金属截面 SEM 图像；(g) Cu-Al/CoCrFeNi 界面微观组织与元素分布；(h) Ti6Al4V/Cu-Al 界面微观组织与元素分布；(i) 异种金属不同区域微区 X 射线衍射图谱；(j) Cu-Al 中间层内电子探针元素分布图。
图 2 (a) 纯 Cu/CoCrFeNi 界面 SEM 图像、反极图、相图、几何必须位错（GND）图；(b) 纯 Cu 中间层内部 SEM 图像、反极图、相图、GND 图；(c) Ti6Al4V / 纯 Cu 界面 SEM 图像、反极图、相图、GND 图。
图 3 (a) Ti6Al4V/Cu-Al/CoCrFeNi 异种金属背散射电子图像；(b) Cu-Al/CoCrFeNi 界面反极图、相图、GND 图；(c) Cu-Al 中间层内部反极图、相图、GND 图；(d) Ti6Al4V/Cu-Al 界面反极图、相图、GND 图。
图 4 (a) 界面裂纹附近高角环形暗场（HAADF）图像；(b)(c) 颗粒状与层片状 Cu₃Ti 相高倍 HAADF 图像及对应能谱图；(d) Cu 相 HAADF 图像与选区电子衍射花样；(e) Cu₃Ti 相选区电子衍射花样；(g) Cu₃Ti₃O 相 HAADF 图像与能谱图；(h) Cu₃Ti 高分辨透射电镜图像及快速傅里叶变换、逆快速傅里叶变换分析。
图 5 (a) Cu₂TiAl/Cu 界面 HAADF 图像；(b-d) Cu₂TiAl、Cu、Cu₃Ti₃O 相选区电子衍射花样；(e) 析出相与层错高倍 HAADF 图像；(f) Cu₂TiAl/Cu 界面高分辨透射电镜图像；(g) Cu 相区域高分辨透射电镜图像；(h) 纳米析出相 HAADF 图像及局部放大图、能谱线分布。
图 6 (a)(b) 纯 Cu 中间层、Cu-Al 中间层截面显微维氏硬度分布；(c) 不同区域纳米压痕加载曲线；(d) 各相纳米硬度与弹性模量统计；(e) 剪切试样尺寸与测试过程示意图；(f) 不同界面剪切强度 - 位移曲线；(g₁-g₄) 四类界面剪切断口 SEM 形貌。
图 7 (a) 各金属间化合物形成能第一性原理计算结果；(b) Scheil 模型计算的 Cu-Al 中间层凝固相图；(c) Cu-Ti-Al 三元相图液相线投影。
图 8 (a)(b) 剪切试验后 Cu-Al/CoCrFeNi 界面相图与 GND 图；(c) Cu₂TiAl/Cu 界面高分辨透射电镜图像；(d) 对应几何相位分析（GPA）应变图；(e) Cu 相内纳米变形孪晶；(f) 层错网络与 Lomer‑Cottrell 位错锁高分辨透射电镜图像。
图 9 Cu-Al 中间层强化与抗裂机理示意图，对比纯 Cu 中间层（连续金属间化合物、界面开裂）与 Cu-Al 中间层（Cu/Cu₂TiAl 异质结构、无裂纹界面）的界面演化路径。
结论
本文提出新型中间层设计策略，通过激光定向能量沉积调控 Ti6Al4V/CoCrFeNi 异种金属的界面相选择与空间分布，系统研究了接头微观组织与力学性能，主要结论如下：
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在 Cu 中间层中引入 Al 可改变界面相选择规律，以简化的 Cu/Cu₂TiAl 双相网状结构替代多种 Cu-Ti 二元脆性化合物，有效提升 Ti6Al4V 与 CoCrFeNi 的界面完整性，实现无裂纹冶金结合。 -
Cu/Cu₂TiAl 异质结构通过降低晶格失配、缓解局部应变集中、发挥富 Cu 连续网络的塑性变形能力，显著提升界面力学相容性。 -
Cu/Cu₂TiAl 异质结构改善了 Ti6Al4V / 中间层界面结合，剪切强度达 133.19 MPa，较纯 Cu 中间层提升 27.2%；Cu-Al/CoCrFeNi 界面剪切强度更高，达 321.67 MPa，证实 Ti6Al4V / 中间层界面是控制接头失效的关键区域。 -
研究表明，通过中间层成分设计可将不可避免的界面反应导向耐损伤异质结构，为钛基异种金属增材连接提供通用调控策略。
文献链接
Jia, L., Shi, Y., Zhong, X., Chen, J., Jiang, Y., He, X., Liu, J., Xu, K., Wang, Z., Pu, J., & Xue, Q. (2027). Damage-tolerant Cu/Cu₂TiAl heterostructure enabled by Al-modified interlayer design for Ti6Al4V/CoCrFeNi dissimilar metals. Journal of Materials Science & Technology, 292, 9–17. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.08.108
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