激光定向能量沉积（DED）技术在异种金属一体化成形领域展现出巨大潜力。铝/铜双金属结构集成了铝的高比强度与铜的优异导热导电及耐蚀性能，是热交换器、海洋装备和电力系统等高端构件的理想材料。DED技术有望成为制备这类双金属结构的高效途径。然而，铝和铜对红外激光的高反射率以及两者间易生成脆性金属间化合物（IMC）并诱发裂纹的问题，长期制约着成形质量。此外，多物理场下的熔池瞬态演化过程难以通过传统离位手段精准捕捉，使得机理揭示和工艺推广面临严峻挑战。
上海交通大学材料科学与工程学院特种材料研究所团队，首次利用波长450 nm的蓝激光DED系统，结合同步辐射X射线原位成像技术，系统揭示了铝/铜双金属增材过程中的熔池动力学行为及其对界面形貌、金属间化合物形成与力学性能的影响机制。
相关研究以“Achieving high strength and corrosion resistance of Al/Cu bimetals via blue-laser directed energy deposition additive manufacturing”为题发表于《Additive Manufacturing》。第一作者为上海交通大学博士生张晓林。王洪泽长聘副教授、吴一副研究员、唐梓珏助理研究员为共同通讯作者。共同作者还包括上海交通大学王茂松博士后、王浩伟讲席教授以及苏州国家实验室的杨慧慧副研究员。
蓝激光突破红外反射瓶颈
实现低热输入稳定沉积
铝/铜双金属对红外激光的高反射率是激光增材的主要障碍之一。研究团队通过对比红外激光与蓝激光的沉积行为发现，在低能量红外激光下，铜合金粉末仅通过热传导发生部分熔化，沉积效率极差，热量主要用于铝合金基板熔化（图2a-d）；提高红外激光能量虽可促进粉末熔化与元素混合，但会引发严重的宏观裂纹（图2e-h）。相比之下，蓝激光增材制造铝/铜双金属在与红外光同等低能量下，实现了粉末的快速熔化与稳定沉积，裂纹得到有效抑制（图2i-l）。这一发现证实了蓝激光在低热输入条件下实现高反射材料稳定成形的独特优势。
X射线成像揭示两种熔池流动模式
及对界面形貌与金属间化合物形成的影响
研究团队利用上海同步辐射光源BL16U2线站的高速X射线成像系统，实时捕捉了在铝合金基板上熔覆铜合金时的熔池流动与元素混合动态。研究发现，在激光功率与送粉参数的耦合作用下，熔池呈现出两种流动模式，直接决定了界面形貌与成形质量。（1）过度混合模式：在高热输入和低送粉量条件下，强烈的马兰戈尼流驱动铝/铜熔体充分混合（视频1），这种充分混合促进了大量脆性IMC和宏观裂纹的生成（图2a-c）。（2）有限混合模式：在高送粉量下，富铜熔体以间歇性“侵入”方式进入熔池（视频2），最终形成锯齿状界面形貌，界面IMC生成受到显著抑制，熔覆层无裂纹（图2d-f）。在两种模式之间的过渡状态，主要表现为熔覆层内发现较为明显的铝元素偏析。
有限混合模式促进强度
-耐蚀性能协同提高
图3a对比了有限混合模式与过渡模式下样品的剪切强度。在有限混合模式下，样品均断裂于界面处。其中，过低的能量输入（PB状态）导致熔池深度较小，不利于界面结合性能的提升；而在最优性能（OP）条件下，铝/铜双金属结构的剪切强度最高可达132 MPa。该增强效果主要归因于更大的熔深和锯齿状界面形貌。剪切测试中，裂纹优先在IMC层萌生。由于界面呈锯齿状，裂纹沿该界面扩展时发生持续偏转，从而有效抑制裂纹的快速扩展（图3b-c）。相比之下，过渡模式下熔覆层内的元素偏析和粗大晶粒导致断裂发生在熔覆层内部（图3d-e）。电化学腐蚀结果（图3f）显示，OP状态样品的耐腐蚀性能最佳，而过渡态样品因高热量输入使Al、Mg、Si等活性元素被卷入熔覆层并形成偏析区域，这些区域成为局部腐蚀萌生位点，导致耐腐蚀性能下降。
图3 不同模式对剪切强度和耐腐蚀性能的影响。（a）剪切强度测试，（b）-（c）最优性能（OP）及（d）-（e）过渡模式（TS）状态下断口附近组织，（f）耐腐蚀性能
熔池动力学与非平衡凝固耦合下的
界面形貌调控与金属间化合物抑制机理
为了进一步量化激光‑粉末参数对熔体流动、界面形貌、IMC生成及最终性能的影响，提出净线性能量输入ΔQ（ΔQ = Qi - Qp，Qi 为激光输入能量，Qp为粉末熔化所需能量）将激光-送粉参数耦合。引入Péclet数Pe表征熔池中对流与扩散程度，统计结果如图4所示。在熔化过程在，当ΔQ < 0，能量不足以完全熔化粉末，Pe 很大，元素扩散受限，形成有限混合模式，界面呈锯齿状；当ΔQ > 0时，Pe减小，强烈马兰戈尼流促进Al与Cu充分扩散，形成过度混合模式，界面变为光滑弧形并伴随大量脆性IMC和裂纹生成。此外，在凝固过程中，计算的Al‑Cu二元非平衡凝固结果表明，与平衡凝固相比，非平衡条件下θ相（Al₂Cu）稳定区间向右扩展并显著增宽，而脆性γ相（Al₄Cu₉）的形成区间收窄并移向更高Cu含量。高冷却速率与受限混合模式的协同作用，从热力学上抑制了Al₄Cu₉的析出，这是裂纹消除的关键原因。
课题组介绍
上海交通大学材料学院特种材料研究所是金属基复合材料国家重点实验室的重要组成部分，由王浩伟讲席教授任负责人，与国际著名大学和大型企业建立多个联合实验室。研究所主要从事新型特种材料的设计、制备及其成形技术研究，支撑了多项国家重大工程需求，在航空航天和汽车轨交等多领域获得广泛应用。多年来承担重点研发计划、民机预研、民用航天预研、国家自然科学基金及国际合作项目等五十余项。在国内外学术刊物上发表学术研究论文近300篇，获授权中国国家发明专利100余项。先后获得教育部技术发明一等奖、上海市技术发明一等奖及中国有色金属工业技术发明一等奖。研究所秉承“创新创造、科研报国”的精神，胸怀祖国、服务社会，面向世界科技前沿、面向国家重大需求，砥砺前行、勇攀高峰。
团队长期诚聘激光增材制造/激光成形工艺和装备、增材制造材料表征（微观组织、力学性能、疲劳）、增材制造过程同步辐射成像、增材制造超结构等方向博士后。
来自：3D科学谷
