W/Cu雙金屬因其獨特的物理性質，在核聚變反應堆、航空航天器和電力等領域有廣泛應用。W和Cu的物理性質差異導致它們難以高質量連接。傳統的連接方法如釬焊、擴散焊和爆炸焊在連接W和Cu時存在挑戰。

北京航空航天大學管迎春教授聯合新加坡南洋理工大學周偉教授研究了一種新方法，通過在W（鎢）表面制造微/納米結構來增強W/Cu雙金屬的界面結合。通過這種方法，成功制備了無過渡層的W/Cu雙金屬，其結合強度達到123 MPa。

“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析

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▲飛秒激光紋理W 的表面形貌：a W 表面和 b 微槽側壁的 SEM 圖像。c W 表面的 3D 形貌和 d 沿 c 中白線的深度輪廓。

https://doi.org/10.37188/lam.2024.033

異種金屬增材制造是利用兩種或兩種以上金屬增材成形同一復雜構件，以滿足極端服役環境下構件功能化應用需求。在可控核聚變、航空航天、電力等應用領域，鎢-銅金屬構件具備金屬鎢高熔點、低濺射和低氚滯留以及金屬銅優異導熱、導電等特性，近年來備受關注。

現有研究表明，在銅表面增材制造鎢時，由于鎢與銅互不相容，未熔鎢粉末與液態銅混合導致接頭位置產生大量裂紋、氣孔等缺陷；在鎢表面增材制造銅時，由于鎢很難熔化，高溫下液態銅在鎢表面潤濕性差，鎢-銅接觸界面易產生嚴重翹曲。因此，鎢-銅異種金屬增材制造連接界面缺陷抑制問題亟待進一步解決。

北京航空航天大學管迎春教授聯合新加坡南洋理工大學周偉教授，創新提出了一種基于鎢表面織構的鎢-銅異種金屬互鎖連接新方法，在無任何過渡層的前提下，成功實現了增材制造鎢-銅異種金屬接頭的高性能連接，為難熔異種金屬增材制造提供全新參考，該成果以“Improving bonding strength of W/Cu dual metal interface through laser micro-structuring method”為題，發表在Light: Advanced Manufacturing。

該方法先在難加工金屬鎢表面激光加工高深徑比溝槽結構，并基于超快激光與鎢材料間相互作用，誘導表面納米結構（如圖1）。進一步地，在織構化處理鎢表面鋪銅粉，調控表面銅增材制造過程中材料熔化、流動及凝固行為，實現鎢-銅異種金屬互鎖連接，如圖2所示。

▲圖1：激光增材制造鎢-銅異種金屬宏/微觀結構

▲圖2：增材制造鎢-銅異種金屬宏/微觀照片

如圖3所示，在激光織構化鎢表面增材制造銅過程中，一方面，表面微納結構改善高溫下液態銅在鎢表面的潤濕性；另一方面，高深徑比溝槽結構還可以提高液態銅在微結構內部毛細力，促進高溫下液態銅的快速鋪展，有效抑制鎢-銅界面缺陷的同時提高接頭處兩種金屬接觸面積。此外，超快激光改性進一步促進鎢-銅界面元素相互擴散層，增強兩種材料界面結合力。最終，鎢-銅異種金屬界面產生高質量機械互鎖。

▲圖3：鎢表面激光織構化對于銅增材過程調控

鎢-銅異種金屬斷裂機理示意圖如圖4所示，縱向拉伸變形時裂紋起源于未激光織構化鎢與增材制造銅的接觸表面，加載力增大后，裂紋進一步擴展至嵌入鎢內部的銅，實驗數據表明接頭拉伸斷裂強度接近擴散焊接鎢-銅接頭。值得注意的是，互鎖接頭力學性能可以通過優化鎢表面結構以及界面銅增材制造工藝獲得進一步提升。

▲圖4：鎢-銅互鎖接頭拉伸斷裂過程示意圖

I 論文信息

Xing Li, Quanjie Wang, Libing Lu, Yingchun Guan, Wei Zhou. Improving bonding strength of W/Cu dual metal interface through laser micro-structuring method[J]. Light: Advanced Manufacturing 5, 33(2024).

https://doi.org/10.37188/lam.2024.033
來源
先進制造 l Light Adv. Manuf. | 難熔異種金屬增材制造界面性能增強新方法

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激光織構化技術

通過激光織構化技術可以改變材料表面的潤濕性，制造出超疏水或超親水表面，應用于自清潔涂層、防霧涂層、防冰表面等。激光織構化技術可以模仿自然界中的表面結構（如荷葉、鯊魚皮等），激光織構化技術可以用于制造具有特定功能的仿生表面，如減阻、抗污、防冰等。激光表面織構化可以用于提高材料表面的硬度和耐磨性，適用于需要高耐磨性的應用場合。激光織構化技術在實際生產中具有廣泛的應用前景，以下是一些主要的應用領域：

• 機械零件表面改性：通過激光織構化技術，可以在機械零件表面制造出特定的微結構，用以改善其摩擦學性能，減少磨損和降低能耗。例如，在汽車發動機的缸孔表面進行激光織構化，可以減少零件摩擦磨損，降低發動機油耗，實現節能減排。

• 刀具和模具表面加工：激光織構化可用于在刀具和模具表面制造微紋理，以提高其耐磨性和抗粘附性，從而提高工具的使用壽命和性能。

• 生物醫學領域：激光表面織構化可以用于改善植入物的表面特性，如促進細胞附著和生長，或者減少細菌粘附，從而提高植入物與生物組織的相容性。

• 微流體和光學器件：在微流體通道中制造微結構可以控制流體的流動和混合，而在光學器件表面制造特定微結構可以用于控制光的傳播和散射。

• 太陽能電池：在太陽能電池表面制造微結構可以增加光的捕獲和吸收，提高電池的光電轉換效率。

• 微反應器和傳感器：在微反應器和傳感器表面制造微結構可以增加表面積，提高反應效率和靈敏度。

鎢-銅異種金屬互鎖

鎢-銅異種金屬互鎖連接技術在實際生產中具有廣泛的應用前景，尤其是在那些需要結合鎢的耐高溫、低濺射特性和銅的高導熱、導電性能的領域。

• 核聚變反應堆：鎢因其高熔點和低中子活化特性，適用于核聚變反應堆中的面向等離子體材料。通過與銅的互鎖連接，可以提高散熱效率，維持反應堆穩定運行。

• 航空航天：航空航天領域需要輕質且耐高溫的材料。鎢-銅合金可以用于制造火箭發動機的噴嘴、航天器的熱防護系統等，利用銅的高熱導率來散熱，同時保持結構的強度和剛性。

• 電力行業：在電力行業中，鎢-銅連接技術可以用于制造高性能的電力傳輸和分配設備，如開關設備、斷路器等，這些設備需要在高電流和高熱環境下穩定工作。

• 熱管理解決方案：在需要精確熱管理的領域，如LED照明、計算機CPU和GPU的散熱，鎢-銅合金可以提供高效的熱傳導解決方案 。在電子器件中，鎢-銅互鎖連接技術可以用來制造高性能的散熱器，將電子器件產生的熱量迅速傳導出去，提高設備的穩定性和壽命。

• 生物醫學：在生物醫學領域，鎢-銅合金可以用于制造醫療設備和儀器的部件，這些部件需要在人體內部或在高溫消毒過程中保持穩定。

通過激光織構化技術實現的鎢-銅異種金屬互鎖連接，為這些領域提供了一種新的材料連接方法，有望推動相關技術的發展和應用。