摘要
镍基高温合金与铜的复合结构中，铜作为散热件用于高温服役场景，但界面处易产生热应变与脆性金属间化合物，导致接头结构完整性差。本文提出溶质置换设计策略，采用激光粉末床熔融（LPBF）制备 NiWCo/Cu 异种合金接头。微观组织分析表明，NiWCo/Cu 界面呈层级结构：亚微米级 W 颗粒嵌于化学非均质的富 Ni-Cu 基体中。力学测试显示，异种接头的塑性变形集中在 Cu 侧，兼具良好的屈服强度与断裂延伸率。瞬态导热性能测试表明，接头具备优异的散热能力，NiWCo 侧的峰值温度较纯 NiWCo 降低约 50 ℃。上述性能特征源于界面处热力学驱动的溶质置换反应所形成的独特微观结构。本文结合多相场模拟与相平衡分析阐释了界面组织演化规律，定量评估了各微观结构特征对界面屈服强度与热阻的贡献，最后系统评估了溶质置换策略在提升高温构件服役温度方面的应用价值。
本文创新方法：提出溶质置换界面调控策略，利用 Ni 与 Cu 完全互溶、W 与 Cu 不互溶的热力学特性，通过 LPBF 非平衡凝固在 NiWCo/Cu 界面原位触发 W 被 Cu 置换析出的反应，构筑 “亚微米 W 颗粒 + 非均质 Ni-Cu FCC 基体” 的半共格层级界面结构；结合多相场模拟、热力学计算与多尺度微观表征，定量拆分应变强化、固溶强化、弥散强化、细晶强化的贡献，建立界面组织 - 力学性能 - 导热性能的关联机制。解决的科学问题：传统镍基高温合金 / 铜连接界面易生成脆性金属间化合物，界面结合差、易开裂，力学性能与导热性能难以协同提升；缺少无需额外中间层、通过原位溶质反应调控界面组织的设计方法，溶质置换界面的形成机理与强韧化 - 导热协同调控机制尚不明确。
图文导读
图 1 (a) NiWCo 合金粉末 SEM 形貌；(b) 粉末粒径分布统计。
图 2 (a) LPBF 制备 NiWCo 合金与纯 Cu 连接体的工艺示意图；(b) 打印态块体、导热试样与拉伸试样实物图；(c) 单侧加热导热测试系统示意图。
图 3 (a) NiWCo/Cu 接头整体形貌；(b) NiWCo 区域、(c) Cu 区域的典型显微组织；(d-e) 各元素沿成形方向的成分分布曲线与界面扩散区细节。
图 4 (a-c) NiWCo 区、扩散区、Cu 区的 EBSD 反极图；(d) 晶界分布图；(e) 内核平均取向差（KAM）图；(f) 扩散区物相分布图；(g) 扩散区 BCC 相的平均晶粒尺寸统计；(h) FCC-Ni、BCC-W、FCC-Cu 三相的 X、Y、Z 方向极图。
图 5 (a) NiWCo/Cu 扩散区显微组织形貌；(b) 对应元素面分布图谱。
图 6 (a) Cu 区、界面区、NiWCo 区的 X 射线衍射全谱；(b) 42°–45° 区间衍射峰局部放大图。
图 7 (a) 聚焦离子束制备的 NiWCo/Cu 界面薄片 SEM 图像；(b) 析出相明场 TEM 图像；(c) 对应 EDS 元素面分布；(d-f) 富 Cu FCC、富 Ni FCC、BCC 相的选区电子衍射花样；(g) FCC/BCC 相界面高分辨 TEM 图像；(h) 对应快速傅里叶变换花样；(i) 逆快速傅里叶变换图像。
图 8 (a) NiWCo/Cu 样品界面处显微硬度沿深度的演化曲线；(b) 室温与 200 ℃下的拉伸应力 - 应变曲线，插图为拉伸试样与断口形貌；(c) 本工作与不同工艺制备铜基接头的抗拉强度、剪切强度对比；(d) NiWCo 合金、纯 Cu 与 NiWCo/Cu 接头在不同温度下的热导率曲线。
图 9 NiWCo 与 NiWCo/Cu 样品从加热到冷却的温度 - 时间曲线，标注对应温度下的维氏硬度值。
图 10 (a) 溶质置换反应的热力学原理示意图；(b) FCC-NiWₓ与 FCC-NiWₓCu 相的吉布斯自由能随 W 含量变化示意图。
图 11 50 at.% Cu 含量下 NiWCo/Cu 界面组织演化的相场模拟快照：(a) 0.1 s；(b) 2.0 s；(c) 2.3 s；(d) 3.0 s。
结论
本文采用溶质置换策略，通过 LPBF 制备了兼具高强度与良好导热性能的 NiWCo/Cu 异种合金接头，主要结论如下：
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LPBF 制备过程中 NiWCo/Cu 接头界面发生显著晶粒细化，约 1 μm 厚的界面区形成层级微观结构：W 颗粒嵌于富 Ni-Cu 的非均质 FCC 基体中；接头无脆性金属间化合物，W 颗粒与基体形成半共格界面。 -
NiWCo/Cu 异种接头室温屈服强度 214.03 MPa，剪切强度 222.98 MPa，与超细晶铜相当；拉伸变形与断裂均发生在 Cu 侧，断裂延伸率达 24.3%。 -
NiWCo/Cu 接头热导率介于纯 Cu 与 NiWCo 之间，300 ℃时为 21.33 W/(m・K)；单侧加热实验表明，接头 NiWCo 侧峰值温度比纯 NiWCo 低约 50 ℃，散热性能优异。 -
热力学计算与相场模拟证实，LPBF 过程中 Cu 置换 NiWCo 中的 W 原子，凝固后 BCC 结构的 W 颗粒在富 Ni-Cu 的 FCC 基体中析出。 -
强化机制定量估算表明，界面屈服强度高于纯 Cu，其中几何必须位错带来的应变强化贡献最大；低温下界面热阻显著，随温度从 50 ℃升至 300 ℃，界面热阻逐渐降低；界面层级结构是热阻的主要来源，而波浪形界面轮廓与 Ni-Cu 互扩散层有利于热传导。
文献链接
Lei, C., Wu, X., Yu, J., Zhang, W., Narayan, R. L., Wen, Y., Zhang, B., Zheng, L., Zhang, L., Zhang, B., Ramamurty, U., & Qu, X. (2027). Strength and thermal conductivity enhancement by solute substitution during laser powder bed fusion of NiWCo/Cu dissimilar alloy joint. Acta Materialia, 322, 122846. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122846
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