研究背景和目的
双金属结构因能结合不同金属的独特优势，在航空航天、核电站、化工设备及海洋工程等领域有广泛应用。激光定向能沉积（LDED）技术因其高设计自由度和精确控制性，成为制造复杂多材料结构的一种有前景的方法。本研究通过LDED技术制备了水平连接的IN718/CuSn10双金属结构，并探究了不同沉积顺序对界面特性的影响。
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实验方法与材料
实验采用气雾化IN718和CuSn10粉末作为原料，通过LDED设备制备了两种沉积顺序的双金属样品：一种是先沉积IN718后沉积CuSn10（NiA-CuA顺序），另一种则相反（CuA-NiA顺序）。利用光学显微镜、扫描电子显微镜等手段对界面微观结构进行表征，并通过拉伸试验评估了力学性能。
全部研究图片表格
图1. （a，b）CuSn10和（c，d）IN718粉末的形态和粒度分布。
表1.CuSn10粉末的成分。
表2. IN718粉末的成分。
图2. （a）LDED过程的原理图；（b-c）双金属结构示意图；（d-e）制备的NiA-CuA和CuA-NiA样品；（f）拉伸试样的尺寸；（g）典型拉伸试样。
表3. 本研究中LDED工艺的参数。
图3. CuA-NiA结构的微观结构：（a）横截面概述。（b-e）不同界面的SEM图像。
图4. NiA-CuA结构的微观结构：（a）横截面概述。（b-e）不同界面的SEM图像。
图5. 两种双金属结构的XRD分析。
图6. 成分分布和EPMA线扫描结果显示（a，c）CuA-NiA样品和（b，d）NiA-CuA样品的重叠区域。
图7. CuA-NiA样品NiA区域的裂纹形态和元素分布：（a）CuA-NiB样品中最大裂纹的形态，（b）（a）的EDS结果，（c）CuA-Ni2A样品中第一条NiA轨迹的元素组成，（d）第一条NiB轨迹中的微裂纹，（e）裂纹起源的形态。
图8. 双金属结构不同界面的成分分布：（a）CuA@NiACuA-NiA样品中的界面，（b）NiA@CuACuA-NiA样品中的界面，（c）NiA@CuANiA-CuA样品中的界面，（d）CuA@NiANiA-CuA样品中的界面。
图9. 远离界面的IN718和CuSn10的晶界图和IPF：（a1-a3）NiA、（b1-b3）CuA；（c1-c3）显示了CuA的晶界图、IPF和相分布图的放大图。
表4. 不同区域粒度的定量分析。
图10. 重叠区的晶界图、IPF和EDS图：（a，b）CuA-NiA样品和（c，d）NiA-CuA样品。
图11. XY截面双金属结构的显微硬度分布。
图12. 试样的拉伸行为：（a）应力-应变曲线（分别显示了纯CuSn10和纯IN718的一条代表性曲线），以及（b）CuA、NiA和NiA-CuA双金属结构的极限拉伸强度和伸长率的统计数据。
图13. NiA-CuA双金属结构拉伸试样的断裂特征：（a-c）试样在CuA侧断裂；（d）（c）的断裂面的SEM图像；（e）NiA侧断裂的试样；（f-h）（e）的断裂面的SEM图像；（i）（h）的EDS结果。
图14. 不同沉积顺序下双金属结构界面形成过程示意图：（a）NiA@CuACuA-NiA样品中的界面，（b）CuA@NiACuA-NiA样品中的界面，（c）CuA@NiANiA-CuA样品中的界面，（d）NiA@CuANiA-CuA样品中的界面。
图15. JMatPro利用NiFe高温合金数据库预测了不同Cu含量的IN718的凝固行为：（a）scheil-Gulliver凝固曲线；（b-d）液相中元素的演变。
图16. 双金属结构中裂纹区域的晶界图、IPF和KAM图：（a）NiA@CuA接口；（b、c）CuA-NiA结构中NiA的第一轨道和第二轨道界面之间的热裂纹。
图17. JMatPro利用NiFe高温合金数据库预测了不同铜含量的IN718的热物理特性。
研究结果
1.界面微观结构：
NiA-CuA顺序：界面结合良好，仅局部出现微裂纹。CuA@NiA界面显示出典型的熔池边界形态，NiA@CuA界面则存在少量脱层。
CuA-NiA顺序：界面出现直通裂纹，且CuA与基底316L之间出现液态金属脆性裂纹。NiA@CuA界面脱层严重，并伴有局部冶金结合。
2.元素分布与相组成：
NiA-CuA顺序：Cu元素在NiA层中的扩散有限，主要分布在约20微米的狭窄区域内。CuA-NiA顺序：大量Cu元素扩散到NiA层中，导致NiA层出现大量Cu偏析，增加了开裂敏感性。
3.力学性能：
NiA-CuA双金属结构的拉伸强度为566 MPa，介于IN718和CuSn10的拉伸强度之间。但由于界面存在微裂纹，其伸长率有所下降。CuA-NiA双金属结构由于存在严重裂纹，无法进行拉伸测试。
讨论
·界面形态形成：沉积顺序影响热传导过程，从而导致界面形态的差异。NiA-CuA顺序下，CuA的高热导率促进了热量的快速散失，形成更稳定的界面。
·微观结构演化机制：不同沉积顺序导致重叠区域成分差异，进而影响凝固微观结构。CuA-NiA顺序下，Cu元素在NiA层中的大量偏析促进了裂纹的形成。
·裂纹形成机制：界面脱层和NiA层内的热裂纹是主要的裂纹类型。CuA-NiA顺序下，Cu元素在NiA层中的偏析和成分梯度导致更高的开裂敏感性。
结论
沉积顺序对IN718/CuSn10双金属结构的界面结合和力学性能有重要影响。NiA-CuA顺序下制备的双金属结构具有更好的界面结合性能和力学性能。未来研究可关注开发中间层材料以减少Cu元素在NiA层中的过度混合。
论文信息
Effect of deposition sequence on interface characteristics of IN718/CuSn10 horizontal bimetallic structures via laser directed energy depositionAuthor: Jiahua Wang,Ding Yuan,Xiaojing Sun,Zeng Zhang,Zhenlin Yang,Chao Weidoi.org/10.1016/j.matdes.2025.114085
导师简介
韦超，中国科学院宁波材料所激光极端制造研究中心副主任，正高级工程师，博士生导师。研究方向包括: 多材料粉末床熔融增材制造、难加工材料激光复合加工。杨振林，哈尔滨工程大学烟台研究生院副教授，硕士生导师。研究方向：水下焊接与切割技术；金属增材制造技术；材料腐蚀与防护。
来源
增材研究 l
中科院：激光定向能沉积顺序如何影响IN718/CuSn10双金属界面特性
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