銅等具有高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的金屬抗拉強度有限，這限制了它們在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。通過設(shè)計和制造多材料結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)功能和結(jié)構(gòu)部件的集成。本研究探討了利用藍色激光定向能沉積（BL-DED）技術(shù)制造的銅-不銹鋼（Cu-SS）多材料結(jié)構(gòu)的機械和物理性能。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，實現(xiàn)了銅和不銹鋼的高相對密度。通過對界面微觀結(jié)構(gòu)、元素分布以及熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和機械性能的綜合分析，揭示了不同銅-SS比例下銅-SS多材料的性能差異。
      結(jié)果表明，隨著SS含量的降低，Cu-SS結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率顯著提高，而機械性能則明顯降低。由于銅和SS的導(dǎo)電率存在很大差異，渦流導(dǎo)電率表現(xiàn)出明顯的測量側(cè)依賴性。此外，通過理論建模和實驗驗證，建立了銅-不銹鋼多材料結(jié)構(gòu)性能的平衡關(guān)系，為實現(xiàn)多材料結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱性、高導(dǎo)電性和高強度提供了優(yōu)化框架。這項研究為先進工程部件的功能和結(jié)構(gòu)集成設(shè)計與制造提供了新的見解。
      具有獨特機械和物理特性的多材料結(jié)構(gòu)已成為在先進工程組件中實現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能集成的關(guān)鍵策略。在各種增材制造技術(shù)中，激光定向能量沉積（L-DED）已被證明在制造具有復(fù)雜幾何形狀的組件方面具有無與倫比的能力，從而為集成制造提供了可行的解決方案。316 L不銹鋼（SS）以其出色的耐腐蝕性和機械性能而聞名，在工業(yè)領(lǐng)域具有重要意義。然而，在某些特定應(yīng)用中，SS無法滿足對導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的嚴格要求。純銅以其卓越的熱性能和電性能而著稱，是應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的最佳材料。由L-DED制造的Cu-SS多材料具有高機械強度以及卓越的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，已在航空發(fā)動機、熱管理器、汽車和模具中得到廣泛應(yīng)用。
     Cu-SS多材料的增材制造工藝和性能已得到廣泛研究。Chen等對宏觀和微觀結(jié)構(gòu)、微裂紋特性和析出演變進行了全面分析，將這些現(xiàn)象歸因于液態(tài)金屬脆化。Tan等進一步評估了工藝參數(shù)對界面缺陷的影響。Tomar等觀察到通過電弧增材制造制造的多材料結(jié)構(gòu)的機械性能的各向異性變化。這些研究共同揭示了界面處的缺陷（如氣孔和裂紋）顯著導(dǎo)致了機械性能的惡化。因此，界面的設(shè)計和缺陷的緩解已成為突出的研究課題。Yadav等采用了三種成分分級方法來研究界面偏析和微裂紋增長行為。此外，Zhang等引入了一種中間金屬（In718）來實現(xiàn)無缺陷界面，從而提高了梯度結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率和熱擴散率。然而，Cu及其合金對在980-1080 nm范圍內(nèi)工作的紅外激光器的高反射率導(dǎo)致了嚴重的能源浪費，使加工效率低下且成本高昂。
      Cu對短波長激光器（如藍色激光器或綠色激光器）表現(xiàn)出明顯更高的吸收率。在室溫下，藍色激光器對Cu的吸收率為 60%，明顯高于紅外激光器。因此，Cu及其合金的藍色激光增材制造越來越受到關(guān)注。Liu等率先應(yīng)用藍色激光制造純銅立方結(jié)構(gòu)，突出了與傳統(tǒng)紅外激光技術(shù)相比的優(yōu)勢。隨后，Cu和SS的結(jié)合在不銹鋼基板上成功實現(xiàn)。此外，還對熔池流動特性進行了詳細的模擬和分析。值得注意的是，現(xiàn)有的研究主要集中在可成形性和熔池特性上，而忽視了對機械和物理性能（導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性）的深入研究。在使用藍色激光增材制造純銅的背景下，這種遺漏尤為明顯，這可能是由于激光器的能量密度相對較低。
      本研究最初研究了Cu-SS多材料的界面屬性和微觀結(jié)構(gòu)。隨后，評估了多材料的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和機械性能。該研究采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)模型和有效介質(zhì)滲流理論來闡明由成分差異引起的熱導(dǎo)率差異。此外，還評估了電導(dǎo)率的半定量評估。最終，這項工作中的發(fā)現(xiàn)和解釋提供了對平衡選擇方法的定性描述，以實現(xiàn)Cu-SS結(jié)構(gòu)的最佳熱（或電）導(dǎo)率和機械強度。該研究是使用華南理工大學(xué)內(nèi)部開發(fā)的藍色激光定向能量沉積（BL-DED）系統(tǒng)進行的，如圖1所示。藍色激光器波長為455 nm，最大工作功率為1000 W。
 

圖4b、c說明了SS和Cu的相對密度與LEPF的關(guān)系。據(jù)觀察，兩種材料的相對密度最初隨著LEPF的增加而增加，然后略有降低。在本研究中，SS和Cu在LEPF值分別為 4.98 kJ/g 和 13.37 kJ/g 時達到最高，分別為 99.25% 和 91.52%。這些最佳條件對應(yīng)于SS的600W和Cu的900 W的藍色激光功率，隨后用于進一步的實驗。
 

圖6顯示了Cu-SS界面的OM圖像。襯底材料（SS）被藍色激光熔化并轉(zhuǎn)移到Cu區(qū)域，最終導(dǎo)致偏析。值得注意的是，與熔池中心相比，熔池邊界處富含SS的區(qū)域更為明顯，從而劃定了明顯的魚鱗邊界，如圖6b所示。混合區(qū)（MZ）的平均寬度為1156毫米（通過圖 6a 的比例評估），幾乎是層厚的兩倍。這一觀察結(jié)果表明，襯底和MZ的上部主要在最初兩個Cu層的沉積過程中被藍色激光熔化。隨后的沉積沒有導(dǎo)致底層SS 的進一步轉(zhuǎn)移。當溫度高于液相線時，液態(tài)Cu和SS會相互融合并溶解。然而，由于L-DED工藝固有的高過冷度，流體轉(zhuǎn)變?yōu)椴环�(wěn)定的混溶狀態(tài)。隨著金屬流體的溫度急劇下降，熔點較高的SS首先沉淀并凝固。熔池邊界的溫度梯度明顯高于中心，導(dǎo)致邊界處的SS 沉淀量增加，并形成不規(guī)則的富含SS的區(qū)域，如圖 6c-e 所示。
 

Cu-SS界面的微觀結(jié)構(gòu)如圖7 a-c 所示。在混合區(qū)內(nèi)，在富含SS顆粒的地方觀察到不同的界面。顯微鏡檢查顯示，在富含SS的區(qū)域存在微孔，這歸因于快速凝固和溶質(zhì)擴散延遲。值得注意的是，Cu在熔池中表現(xiàn)出不規(guī)則的片狀形態(tài)，并伴有分散的富含SS的顆粒，如圖7c所示。圖7d-f 中隨后的EDS圖像集中在圖7a 中劃定的區(qū)域。元素分析顯示SS區(qū)中Cu的稀缺性，而混合區(qū)中Cu的普遍存在。圖7d中所示的黑色區(qū)域突出了富含SS的顆粒的形態(tài)和分布，與之前的觀察結(jié)果一致。
 

沿成形方向（BD）的線掃描EDS進一步評估，如圖10所示。圖11說明了Cu-SS界面處晶粒形態(tài)、取向和尺寸分布的結(jié)果。在界面處鑒定出SS的面心立方（FCC）和體心立方（BCC）相。
 

圖12說明了熱導(dǎo)率（k）和熱擴散（α），溫度為Cu-SS多材料。熱流沿成形方向傳播，依次穿過SS區(qū)、混合區(qū)和Cu區(qū)。Cu-SS多材料結(jié)構(gòu)的顯微硬度測試沿沉積方向進行，覆蓋3 mm的距離，如圖13a所示。在SS區(qū)內(nèi)，平均硬度值為203.09 HV，而在過渡到MZ時，觀察到硬度顯著降低（平均為142.63 HV）并伴有顯著波動。Cu區(qū)的平均硬度值最低，為 80.57 HV。Cu-SS多材料、純Cu和SS的代表性拉伸曲線如圖13b所示。
 

Cu-SS多材料結(jié)構(gòu)的機械性能、電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率直接受微觀結(jié)構(gòu)、缺陷和元素分布等因素的影響。基于本文對Cu-SS多材料結(jié)構(gòu)的性能測試和分析，他們試圖成形機械性能和熱/電導(dǎo)率之間的平衡關(guān)系，如圖 16 所示。隨著 Cu 含量（厚度）的增加，出現(xiàn)了三個不同的階段。I：較高的機械強度，但導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性有限;II：高機械性能以及導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性;III：導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性高，但機械強度不足，無法承受重載荷。在實際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)具體要求選擇合適的 Cu/SS 含量比，以實現(xiàn)機械性能和熱/電導(dǎo)率的理想平衡。值得注意的是，當 Cu 含量接近 100% 時，渦流電導(dǎo)率會降低，這是由于缺陷的增加。

1.Cu-SS界面定義明確，具有富含SS的不同區(qū)域和混合區(qū)。混合區(qū)主要由銅組成，SS以顆粒形式分布。在界面處鑒定出SS的FCC和BCC相，平均晶粒尺寸分別為4.63 μm和3.32μm。混合區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)以等軸晶粒為特征，而SS區(qū)則表現(xiàn)出蜂窩狀結(jié)構(gòu)。

2.Cu-SS結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)電性隨著銅含量的增加而顯著增加，而抗拉強度降低。Cu：SS比為2：1的Cu-SS結(jié)構(gòu)在327 K時達到了169.32 W·m⁻¹·K⁻¹ 的最高導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)電率為 84.33% IACS。它還表現(xiàn)出 10.7 MPa 的拉伸強度和17.55% 的伸長率，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。基于熱阻模型和有效介質(zhì)滲流理論的計算揭示了SS厚度對熱導(dǎo)率的顯著影響。

3.基于實驗結(jié)果和理論分析，建立了Cu-SS多材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與熱/電導(dǎo)率之間的平衡關(guān)系。通過調(diào)整銅與不銹鋼的比例，可以實現(xiàn)高導(dǎo)熱性、高導(dǎo)電性和高強度的最佳組合。這為高級工程應(yīng)用中多材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

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