[启明增材制造]镍基高温合金耐热但导热差，铜导热好但强度低。把两者焊在一起，界面往往因脆性金属间化合物（IMCs）和热应力而开裂。最近有科研团队换思路，不阻止元素互扩散，而是通过铜扩散换挤出钨元素——用溶质置换反应在界面原位生成分级结构，强度超过超细晶铜，导热比纯NiWCo高近一倍。更关键的是，断裂始终发生在铜侧，而非界面处。
近日，北京科技大学张百成教授团队联合印度理工、南洋理工等高校，在《Acta Materialia》发表研究，采用激光粉末床熔融（LPBF） 制造了NiWCo/Cu异种合金接头，系统表征了界面组织、力学性能与热导率，并结合热力学计算和多相场模拟解释了组织演化机理。
图 1 (a) NiWCo 合金粉末扫描电镜图；(b) NiWCo 合金粉末的粒度分布
核心痛点：Ni基合金+Cu，为什么难接？
镍基高温合金与铜的连接，是高温热管理部件的典型需求。镍基合金提供高温强度和蠕变抗力，铜作为热沉快速把热量从高温端导走，从而让整个部件能在比合金本身更高的温度下服役。但传统熔化焊面临两个问题：
Cu与Ni基体中的难熔元素互不混溶。 Cu与W、Mo、Nb等元素的混合焓为正，彼此几乎不互溶。熔化焊时，这些元素在界面处成分不均，冷却时产生局部应力集中，直接诱发界面开裂，同时界面热导率也会降低。
Al、Ti等元素与Cu/Ni形成脆性IMCs。 常规γ′强化镍基合金普遍含Al和Ti，它们与Cu、Ni反应生成Ti(Ni,Cu)₂、Ti₂(Ni,Cu)₃等脆性相。
所以，问题的本质是解决界面处不可避免的元素互扩散会自发产生有害相。传统思路是加中间层阻隔扩散，但中间层又引入新的界面。
溶质置换策略：通过Cu元素扩散进Ni晶格挤出W元素
NiWCo是一种固溶强化型镍基合金，强度主要来自W和Co的固溶强化，从源头上避开了Al/Ti与Cu形成脆性IMCs的问题。同时，W含量高达36.1 wt.%、Co含量18.9 wt.%，具有优异的高温力学性能和微观组织稳定性。这个体系既是代表固溶强化镍基合金的典型例子，又是反应界面Ni-W-Cu三元体系，便于机理分析。
从热力学角度出发，主要核心原因是在于混合焓的差异：W与Cu的混合焓强正值，几乎完全互不混溶；Ni与Cu的混合焓弱正值，但Ni和Cu原子结构相似，完全互溶。当Cu扩散到Ni(WCo)固溶体时，热力学驱动力促使Cu进入Ni的FCC晶格，而W被“挤”出来。
图 2 (a) 选区激光熔化制备 NiWCo 合金‑纯铜连接件的示意图；(b) 打印态块体试样、导热试样以及拉伸试样；(c) 单面加热系统示意图
为什么选LPBF？LPBF的能量输入可以精确到微米级激光功率和扫描速度的调控，确保获得无缺陷的沉积体，加上LPBF的快速凝固（冷却速率可达10⁵–10⁶ K/s）能把高温下的溶质置换反应滞留在界面处，形成的非平衡分级组织也很有用。
NiWCo/Cu样品整体无翘曲，界面呈波浪状。晶粒细化主要发生在界面两侧约0.2 mm范围内；远离界面后，NiWCo侧为柱状晶与等轴晶混合组织，平均晶粒尺寸约5 μm；Cu侧为粗大等轴晶，平均尺寸约100 μm。NiWCo侧存在少量微裂纹，Cu侧和界面区无裂纹。
EBSD进一步显示，紧邻界面的NiWCo区域出现大量超细柱状晶，尺寸仅0.5–2 μm。KAM图表明，界面超细晶区和晶界处的局部取向差更高，说明界面区域储存了较高的几何必需位错密度。Cu侧在远离界面处具有强烈的(001)织构，靠近界面处织构强度急剧下降，界面附近几乎无织构。
图 3 (a) NiWCo/Cu 接头代表性宏观形貌；(b) NiWCo 侧以及 (c) Cu 侧的微观组织；(d‑e) 沿构建方向不同元素的含量变化
SEM高倍像显示，界面处存在约5 μm厚的过渡层，其中弥散分布着大量球形颗粒，衬度比NiWCo基体更亮。这些颗粒平均直径约0.7 μm，EDS面扫确认其主成分为W。界面过渡层是亚微米W颗粒嵌入Ni-Cu富集的FCC基体的复合结构。
图 4 (a) NiWCo/Cu 扩散区微观组织；(b) 对应的元素面分布图
室温拉伸结果显示屈服强度：214.03 ± 3.38 MPa，抗拉强度：220.47 ± 4.17 MPa，断裂应变：24.3 ± 3.23%。发现断裂发生在Cu侧，而不是界面。200°C下，屈服强度仍有186.45 MPa，仅比室温下降12.89%；相比之下，电子束焊CuCrZr合金在200°C下屈服强度下降31.64%。剪切强度达222.98 MPa，同样断在Cu侧。与扩散焊、真空焊、爆炸焊、搅拌摩擦焊、LPBF等各类Cu合金接头相比，该NiWCo/Cu接头的抗拉和抗剪强度均有优势。
图 4 (a) NiWCo/Cu 试样沿界面的显微硬度变化；(b) NiWCo/Cu 试样室温和 200 ℃下拉伸应力‑应变曲线，插图为拉伸后试样以及断口形貌；(c) 本研究试样与不同工艺制备的其他合金‑铜试样的剪切强度与抗拉强度对比；(d) 不同温度下 NiWCo 合金、纯 Cu 以及 NiWCo/Cu 接头的导热系数曲线
NiWCo/Cu接头的热导率从50°C的13.93 W/(m·K) 升至300°C的21.33 W/(m·K)，约为纯NiWCo的两倍（纯NiWCo同期为9.17→11.73 W/(m·K)），但仍比纯Cu低一个数量级。
研究用多相场（MPF）模拟结合CALPHAD热力学数据库，复现了界面组织的演化路径：1）凝固初期，液相中先析出BCC-W颗粒（约99 wt.% W）；2）随着W颗粒长大，周围液相贫W；3）FCC相在液相中均质形核；4）FCC核长大形成连续基体，将BCC-W颗粒包裹其中；4）进一步冷却，FCC相分解为Cu富集和Ni富集两个FCC区域，存在共取向关系。
图5 (a) 溶质置换反应的热力学原理；(b) FCC‑NiWₓ与 FCC‑NiWₓCu 相的吉布斯自由能随 W 含量变化的示意图
图6 x (Cu)=50 wt% 条件下 NiWCo/Cu 界面不同时刻相场模拟微观组织快照：(a) 0.1 s；(b) 2.0 s；(c) 2.3 s；(d) 3.0 s
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122846
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