增材制造銅/鋼雙金屬材料研究進展

楊棧琳，劉巖，曹博強，劉發，閆慶森，劉軍華，劉兆真，李博

增材制造銅/鋼雙金屬材料研究進展

楊棧琳a，劉巖b*，曹博強a，劉發a，閆慶森a，劉軍華a，劉兆真a，李博a

（沈陽大學 a.機械工程學院 b.遼寧省先進材料制備技術重點實驗室，沈陽 110044）

銅/鋼雙金屬材料具有力學強度高、物理化學性能優良等優勢，在交通運輸、電力能源和建筑工業等領域應用前景廣闊。然而，傳統熔鑄工藝在制造銅/鋼雙金屬材料時，容易在銅/鋼界面處產生偏析現象，在一定程度上限制了銅/鋼雙金屬材料的發展。與傳統工藝相比，增材制造技術不僅能實現復雜加工零件的快速制造，而且在成形過程中較短的保溫時間能緩和或消除異種金屬材料界面產生的冶金缺陷，進而增強銅/鋼雙金屬材料的力學性能。由于雙金屬材料是近年來的研究熱點，有關增材制造銅/鋼雙金屬材料的綜述性文章較少，故綜述了近年來激光、電子束及電弧增材制造技術制造銅/鋼雙金屬材料的研究發展現狀，分析了各技術的優缺點，并從制備方法、工藝參數及界面合金元素等角度，分析了影響材料界面組織性能變化的關鍵因素。發現在增材制造銅/鋼雙金屬材料方面，目前激光增材制造技術主要應用于精度要求較高的小尺寸零部件，電子束增材制造技術適用于某些具有特殊性能的合金，如鈦合金，而電弧增材制造技術適用于精度要求較低的大型復雜零部件。在銅/鋼雙金屬材料增材制造過程中，界面處易形成顯微組織分布不均勻、界面晶粒尺寸差異較大等現象，導致界面處產生應力集中，從而造成材料斷裂失效。為解決上述難題，學者們已深入研究第二相形成機理，并采用優化界面處Cu-Fe比例和控制脆相金屬間化合物等方式提高銅/鋼雙金屬材料的性能。最后，對目前增材制造銅/鋼雙金屬材料的研究發展現狀進行了總結與展望，未來在冶金學和熱力學方向上對銅/鋼雙金屬材料仍需進行系統性理論研究，對雙金屬材料而言需要建立相關模擬數據庫，以期為相關從業人員提供精細化指導建議。新型增材制造技術或復合增材制造技術的開發與應用都將成為未來增材制造銅/鋼雙金屬材料研究的重點發展方向。

銅/鋼雙金屬材料；激光增材制造技術；電子束增材制造技術；電弧增材制造技術；界面缺陷

雙金屬復合材料是由2種材料復合而成的一體化材料，具有成分和結構呈連續性變化的特點，是滿足航天航空材料在極限環境下能夠正常工作而發展起來的新型材料[1-2]。從1960年國內開展雙金屬復合材料研究至今，雙金屬材料方向的研究成果日益增多。雙金屬材料在界面兩側保持了原有的成分、組織及性能，在界面處發生冶金結合的同時形成不同于兩側金屬的新生相，具有結構一體化和功能多樣化的特點，能夠解決傳統材料性能單一、易受服役環境限制和應用范圍小等問題[3-6]。

銅/鋼雙金屬材料是由銅合金與鋼材料復合而成的新型材料，不僅具有銅合金優良的導電性、導熱性、耐磨損性和抗腐蝕性，還具有鋼材料抗拉強度高與造價低的優勢，在汽車工業、電力能源和建筑領域具有廣泛的應用前景[7-8]。常用的工業金屬材料中純銅及銅合金占有很大一部分市場，但純銅及銅合金一般在惡劣的工作條件下容易因力學性能較差而產生斷裂失效，既增加維修成本又會造成資源浪費。近年來，隨著銅資源的市場需求量增大，銅及銅合金價格也逐年遞增，這些問題勢必約束銅材料在未來長遠的發展[9-10]。鋼材價格低廉且力學性能優良，采用銅/鋼雙金屬材料代替性能單一的銅材料可以在最大程度上發揮各自的優勢，既能節約成本，又能提高雙金屬材料的綜合力學性能。因此，銅/鋼雙金屬材料的研發具有很好的經濟效益，并且符合資源節約型社會的發展方向[11-13]。

目前，銅/鋼雙金屬材料的主要制備工藝包括爆炸復合法、粉末冶金法和離心鑄造法等，但這些傳統方法均在不同程度上存在制造時間長、制造工藝復雜、對環境造成污染等弊端[9]。伴隨著增材制造技術的興起和再突破，銅/鋼雙金屬材料也被開發出新的研究方向。隨著增材制造技術與CAD/CAM技術相結合，能夠實現設計加工一體化制造，完全適用于雙金屬材料的制備，是近20年研究的重點與熱點[14-17]。采用增材制造技術不僅可以實現復雜金屬零件的快速制造，而且能得到性能良好的銅/鋼雙金屬材料。增材制造技術按照熱源形式可分為激光增材制造技術、電子束增材制造技術和電弧增材制造技術[18-21]，其優缺點如表1所示。除上述3種增材制造技術外，還有冷噴涂、熱噴涂等新興增材制造技術[22]，但新興增材技術在直接增材制造銅/鋼雙金屬材料方面的研究還相對較少。鑒于增材制造高性能銅/鋼雙金屬材料的多種優勢，本文主要對激光、電子束和電弧增材制造技術進行了系統綜述，探討銅/鋼雙金屬界面在冶金結合時呈現的效果和重點問題。

1 激光增材制造技術制造銅/鋼雙金屬材料

激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）技術主要可分為選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術和激光熔覆沉積（Laser Cladding Deposition，LCD）技術，其中SLM技術成形精度較高，適用于小型精密金屬零件的成形，雖然LCD技術成形效率較高，但成形精度相對較低[23-24]，故目前學者對LCD增材制造銅/鋼雙金屬材料的研究相對較少。

Kruth等[25]采用SLM增材制造技術制造了Fe、Ni、Cu和Fe3P混合物，并對工藝參數進行了優化，其中包括溫度梯度機理和成形溫度對材料零件微觀結構、致密度和力學性能的影響。結果表明，采用適當的激光掃描方式可減少SLM制造過程產生的熱變形，脈沖激光模式下可提高混合物材料的致密度。當材料密度為91%時，最大抗彎曲強度可達630 MPa。

Liu等[26]采用SLM增材制造技術制造了316L不銹鋼和UNS C18400銅合金梯度材料，研究了在單一點膠涂層系統中分離2種不同材料的選擇性激光熔化多材料加工的新方法，并采用電子背散射衍射等技術對其界面特性進行了分析，如圖1所示。結果表明，銅/鋼界面冶金結合良好，在界面處觀察到大量的Fe和Cu元素擴散。對實驗結果進行拉伸性能測試，發現銅/鋼材料最大抗拉強度為（310±18）MPa。由于銅側金屬孔隙率相對較高，斷裂發生于銅側金屬區。此外，由于SLM快速冷凝的特點，材料各區域組織高度細化，在鋼/銅層壓板界面處獲得了良好的冶金結合。

Chen等[27]采用SLM技術研究了316L不銹鋼/ CuSn10銅合金雙金屬材料的制造，在界面結合處發現了以裂紋孔洞為主的凝固缺陷，分析認為316L不銹鋼與CuSn10銅合金的金屬熱膨脹系數相差較大，在熔合界面處相互排斥，結果導致界面處向316L區出現裂紋蔓延現象，如圖2所示。雙金屬熔合區寬度約為550 μm，枝晶裂紋源位于雙金屬熔合區與鋼區交界處，雙金屬材料顯微硬度從鋼區（233.1HV± 8.1HV）逐漸變化到青銅區（154.7HV±6.0HV），最大抗拉強度為（423.3±30.2）MPa。銅/鋼雙金屬材料斷裂模式以脆性斷裂和穿晶/沿晶混合斷裂2種模式為主，斷口具有河流花樣特征，河流花樣的形成與熔合區和316L不銹鋼邊緣枝晶裂紋有關。通過圖2f可知，枝晶裂紋的另一個特征，即枝晶裂紋的延伸方向基本垂直于熔合區和316L不銹鋼區的邊界。這是因為青銅的導熱率高于鋼的導熱率，在熔合區集中了大量的熱量，因此熱應力的逐漸增加導致裂紋擴展。

Chen等[28]在上述實驗的基礎上又進行了三因素五水平的正交實驗，探討激光功率等因素對銅/鋼雙金屬界面性能的影響，結果表明，在鋼/青銅界面處發現了突起，其高度隨體積能量輸入的增加先增大后減小。缺陷的類型主要分為孔洞和裂紋，較低和較高的能量均能使材料在不同方向上產生微裂紋。激光能量輸入密度不足會導致界面層不完全熔化，界面區附近的缺陷是影響結合強度極限的主要因素。銅/鋼雙金屬材料組織的最佳接頭極限強度為（459.54± 3.08）MPa，伸長率為（5.23±0.65）%；最小接頭極限強度為（199.02±0.56）MPa，伸長率為（1.70±0.22）%。

Chen等[29]采用SLM增材技術制造了316L/CuSn10雙金屬材料，成功制備了無界面宏觀裂紋的致密316L/CuSn10試樣，預示著SLM在未來鋼/銅復合材料工業應用中的前景。研究結果表明，試樣的顯微硬度從316L區的（329.5HV±12.5HV）逐漸下降到CuSn10區的（172.8HV±7.4HV），最大剪切應力為210 MPa。熔合區的平均晶粒尺寸小于CuSn10合金區的平均晶粒尺寸，這是由于熔合區內多個熱影響區共同作用，導致再熔合和再結晶細化。枝晶裂紋從熔合區邊界萌發，與液態銅合金快速凝固的撕裂作用和銅滲透對鋼奧氏體晶界的拉應力作用有關。從元素的連續分布和非均質合金相的富集來看，熔池的充分攪拌和元素的擴散是形成316L/CuSn10復合材料界面結合良好的理想條件。

表1 三大增材制造技術的工藝特點

Tab.1 Process characteristics of the three major additive manufacturing technologies

圖1 SLM成形316L不銹鋼和UNS C18400銅合金的EBSD取向圖[26]

圖2 SLM成形316L不銹鋼/CuSn10銅合金界面顯微組織的FE-SEM圖像[27]

Tan等[30]采用SLM技術制造了銅/鋼雙金屬材料，研究結果表明，冷卻速率越快，越有利于獲得細小的樹枝晶粒，銅/鋼強化界面形貌如圖3所示。較高的冷卻速率有利于細化雙金屬界面晶粒尺寸，進而強化界面。采用多種力學試驗評價了界面結合的可靠性，如測試界面缺陷的孔隙率僅為0.042%，疲勞試驗進一步證實了銅/鋼雙金屬材料的超高結合強度，此方法制造的銅/鋼雙金屬材料的性能優于傳統制造方法。

繆喆宇等[31]通過LCD技術將粒徑45 μm的Cu粉與鋼材料進行復合，成功制造了應用于鐵路道岔的銅/鋼雙金屬材料零件，其滿足滑床板零件材料高磨損服役條件。研究結果得出，在1 kW激光功率和1 m/min激光掃描速率條件下，銅/鋼雙金屬復合材料界面冶金結合最佳。在界面處發現α-Cu相、富鐵相與Fe8CuS彌散相，界面冶金結合良好。

一是地方基礎設施建設一般投入較大，建設周期較長.基礎設施建設的周期一般為5至8年，甚至更長.但同時，商業銀行考慮資產與負債的期限配置，通常貸款期限不超過3年.而周期過長，也使得建設過程中不可控的因素較多，融資環節的任何疏漏都有可能影響資金周轉進而影響工程建設.

Zhou等[32]采用SLM技術制造了具有豐富納米孿晶和層錯的銅/鋼雙金屬材料，分散在細ε-Cu基體中的微尺度γ-Fe顆粒，高角晶界占比高達92%。研究結果表明，軟疇（ε-Cu）和硬疇（γ-Fe）的非均質界面不僅會誘發材料在幾何空間的位錯，還會影響位錯在塑性變形過程中的擴展。富鐵顆粒中納米孿晶和層錯的形成機制可歸因于3個方面：一是316L不銹鋼較低的層錯能而自發誘導的納米孿晶和層錯，二是較大溫度梯度導致的殘余應力而誘導的納米孿晶和層錯，三是較大動態過冷導致的高冷卻速率而誘導的納米孿晶和層錯。銅/鋼雙金屬材料抗拉強度可達590 MPa，塑性提高了約8.9%，采用SLM技術制備具有豐富孿晶界和層錯的大塊非混相合金，以獲得高強度和良好的塑性。

Zhang等[33]采用激光粉末床聚變技術制造了高強高導銅合金與高強度鋼外層金屬材料，該研究提供的一種新方法對火箭發動機推力室方面研究具有極大的推進作用。研究利用In718作為QCr0.8 HSHC銅合金/S06不銹鋼雙金屬結構的中層過渡金屬，界面處各元素成分及分布如圖4所示，研究成功制備了冶金結合良好的銅/鋼雙金屬材料。QCr0.8/In718界面呈現柱狀晶和等軸枝晶的組合，平均極限抗拉強度和斷裂伸長率分別為（300.3±10.6）MPa和（15.0±1.4）%，斷裂發生在QCr0.8側。

上述研究表明，目前學者們采用SLM技術增材制造銅/鋼雙金屬材料的研究較多，并已從工藝參數的改進發展到界面形成機理的改進，現在的研究更偏向于提高界面冶金結合效果。LCD技術由于成形精度問題，在增材制造銅/鋼雙金屬材料方面的研究還相對較少。通過控制激光掃描方式、激光功率、激光能量及冷卻速率等SLM技術的工藝參數，獲得的銅/鋼雙金屬材料具有很高的致密度和強度，且無宏觀缺陷，界面處的冶金結合良好，結合激光增材技術適用于小尺寸精細零件加工的優勢可以看出，運用該技術增材制造銅/鋼雙金屬材料在未來具有很大的應用空間。

圖3 銅/鋼界面的OM、SEM與EDS分析[30]

圖4 元素成分及分布[33]

2 電子束增材制造技術制造銅/鋼雙金屬材料

電子束增材制造（Electron Beam Additive Manu-facturing，EBAM）技術可分為電子束選區熔化（Elec-tron Beam Selective Melting，EBSM）技術和電子束熔絲增材制造（Electron Beam Freeform Fabrication，EBFF）技術，其具有能量密度高、能量利用率高等特點[34-36]。目前，國內外學者對EBAM增材制造銅/鋼雙金屬材料也進行了相關研究。

Gurianov等[37]通過EBAM技術制造了銅/鋼雙金屬材料、銅/鋁雙金屬材料和銅/鈦雙金屬材料。研究結果表明，不同體系邊界區多金屬形成帶的結構存在差異，Cu-Fe體系的過渡區不是梯度的、均勻的，該區域由2種不同的相表示，銅層的增加和鋼層的減少交替出現。所得樣品中的孔隙只存在于Cu-Fe體系的銅組分中。與Cu-Fe體系相比，Cu-Al體系的過渡區更加均勻。然而，從銅到鋁的過渡不是梯度的，并且有明確的邊界。Cu-Ti體系組分的分布存在一定的缺陷和非均質性。該材料在不同尺度上以孔隙和裂紋的形式形成缺陷。多金屬樣品形成帶的結構以鑄型結構為主，但組分分散性較大。為了最大限度地減少缺陷數量并形成均勻的梯度過渡區，應進行增材工藝的進一步優化。

Panfilov等[38]采用EBAM技術制造Cu-Ni和Fe- Cu-Ni的多金屬復合材料，以C11000線材和Cr15Ni60鎳合金作為過渡層，成功制備出銅鎳合金界面尖銳、銅鎳合金送絲速度逐漸變化導致界面光滑的試樣。研究結果表明，銅和鎳的無限溶解度導致在梯度送絲到熔池時具有良好的材料相容性，但并不能阻止形成具有陡峭梯度的樣品，這是生產層狀復合材料所不可避免的。在銅基板上進行增材時，鎳合金的固化發生在散熱方向上，在邊界區形成陡坡時，沒有裂縫或分層發生。在鋼基體上打印Fe-Cu-Ni體系的梯度樣品時，在321鋼和C11000銅之間梯度區域形成的組織明顯不如梯度進給時均勻。在結構梯度區以裂紋的形式形成許多缺陷，其中一些被銅填充。銅和鎳合金之間的梯度區有缺陷，這只是由于系統組分分布不均勻造成的，并且表現為從純銅到銅鎳合金混合物的平滑過渡。由此可見，采用EBAM技術制造Cu-Ni和Fe-Cu- Ni系多金屬材料表現出很高的適用性。

Osipovich[39]采用EBAM技術制造了銅/鋼雙金屬材料，同時進料的長絲允許形成從304不銹鋼的鋼部分到C11000的銅部分的梯度過渡。研究結果表明，鋼和銅顆粒存在非均勻分布，鐵基合金與Cr和Ni形成的銅顆粒大小在130 nm～2.3 μm。相間邊界清晰，無過渡區。2種不同體積的銅和鐵金屬絲同時進料方法允許從一種材料到另一種材料的梯度過渡。在梯度躍遷過程中，通過光柵和透射電鏡檢測到存在非均勻顆粒分布。熱模與產品的快速冷卻速度和已經應用的固化層與供應材料之間的能量最小化有關。銅的高導熱性使系統的冷卻速度更快。該技術形成的銅顆粒是規則的球形，如圖5所示。圖5中銅顆粒呈規則的球形是由于受到顆粒、早期應用的固化層和熔絲之間的相間自由能平衡調節的作用。假設通過從一種材料到另一種材料的梯度過渡來考慮所列元素的緊密化學成分，那么一滴該種材料和一個早期應用的固化層間的自由焓是可以忽略不計的，從而使相間自由能等于熔絲和一滴該種材料之間的自由焓，這就導致了該系統的總相間自由能最小，且顆粒呈規則的球形。

Zhu等[40]采用EBFF技術制造了Ti64/Cu/316L復合材料，對Ti64/Cu和Cu/316L界面的微觀組織和力學性能進行了詳細的研究。研究結果表明，Cu/316L界面處除了有典型的球形富Cu和富Fe固溶體外，還在富Fe固溶體中出現了少量的Fe-Ti金屬間化合物，Ti64/Cu界面處發現了樹枝狀的富Cu固溶體。與Fe-Ti金屬間化合物相比，Cu-Ti金屬間化合物對Ti64/Cu界面性能的負面影響較小，界面附近變形的α-Ti和富Cu固溶體產生的局部應變可以有效緩解殘余應力的集中。Ti64/Cu界面表現出最高的顯微硬度（490HV）和優異的抗剪強度（（196.5±2.2）MPa）。

陳高澎等[41]采用電子束焊接技術焊接了銅/鋼復合材料，并對焊接接頭組織及力學性能進行了對比分析，為EBAM技術制造銅/鋼雙金屬材料提供了一定的數據參考。研究結果表明，采用電子束焊接技術可實現BFe30-1-1/10CrNi3MoV復合板材料的對焊，Ni和Cu元素均能與Fe元素形成連續固溶體，使材料難以形成脆相金屬間化合物，具有良好的焊接性，能夠獲得微觀組織良好無明顯缺陷的焊接接頭?？拷缑嫖恢玫慕M織以富鐵相與富銅相為主，材料最大抗拉強度達到482 MPa。

上述研究表明，采用電子束增材制造銅/鋼雙金屬材料存在可行性，但由于該技術存在對成形環境要求高、設備操作比較復雜和不易成形異種金屬等劣勢，故現階段相關研究還相對較少，并且該技術制造的銅/鋼雙金屬在界面處的成形效果不如Cu-Al體系及Cu-Ti體系，故未來還需加深銅/鋼雙金屬方面的研究。

3 電弧增材制造技術制造銅/鋼雙金屬材料

電弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）技術由于常使用熔化極氣體保護焊（GMAW）、非熔化極氣體保護焊（TIG）及等離子弧焊（PAW）等過程產生的電弧作為熱源，各種填充絲作為原料，結合其自身具有成形效率較高、原料利用率較高、低成本及適用于大型構件的制造等優勢[42-44]，因此將成為一種具有較高發展潛力的銅/鋼雙金屬材料增材制造方法。

圖5 球形銅顆粒的SEM圖像[39]

呂世雄等[45]采用TIG增材制造技術制造了銅/鋼雙金屬材料，研究了保護氣體對銅/鋼雙金屬材料組織和性能的影響規律。研究結果表明，氦氣比例在80%以下時，銅/鋼界面泛鐵現象隨氦氣比例增加而緩慢增加，而氦氣比例超過80%時轉變為急劇增加。通過調節氬氦混合氣體比例能有效控制電弧輸出形態，進而調節界面泛鐵現象。

Liu等[46]采用GMAW增材制造技術制造了低碳鋼/硅青銅雙金屬材料，分析了銅/鋼界面特性。結果表明，銅元素不存在于鋼側，而鐵元素以顆粒和大塊的形式進入青銅側，如圖6所示。銅/鋼雙金屬材料抗拉強度可達305 MPa，斷裂于銅金屬一側，間接說明銅/鋼界面結合牢固。采用GMAW增材制造技術可制造性能良好的低碳鋼/硅青銅雙金屬材料，鋼與青銅界面附著力良好，界面無裂紋和氣孔缺陷，實現了良好的冶金結合。

苗玉剛等[47]采用PAW增材制造技術制造了304不銹鋼/S201紫銅雙金屬復合材料，研究結果表明，泛鐵現象顯著提高了界面力學性能，304不銹鋼/S201紫銅雙金屬復合材料抗拉強度可達256.8 MPa，斷后伸長率為15.68%，斷裂于銅側金屬，斷裂形式屬于韌性斷裂。

羅濱等[48]采用MIG增材制造技術制造了硅青銅/ 304不銹鋼雙金屬復合材料，研究了3種增材路徑對雙金屬材料界面的影響。研究結果表明，銅層金屬向鋼層金屬沉積將形成滲透裂紋，而鋼層金屬向銅層金屬沉積將形成固溶體，頂部鋼層金屬向底層鋼金屬沉積，底層鋼金屬細小的柱狀晶向垂直于熔合線方向生長，并在頂部形成等軸晶。隨著Fe元素進入銅層中，銅側金屬顯微硬度明顯增大，且在銅/鋼界面位置形成Fe-Si金屬間化合物，增強了界面硬度，銅/鋼雙金屬材料顯微硬度由銅側的90HV逐漸增高至鋼側的526HV。

Dharmendra等[49]采用電弧增材制造技術制造了鎳鋁青銅/316L不銹鋼雙金屬材料，發現界面具有良好的冶金結合，且無裂紋缺陷，能克服激光增材粉末床融合過程中未受能量源照射的混合粉末分離的難題。研究結果表明，銅/鋼雙金屬界面厚度為2 μm，界面形成Fe-Al基金屬間化合物，在不銹鋼側的熱影響區有液化開裂的趨勢。銅/鋼界面光滑，晶粒連續，界面層硬度介于鎳鋁青銅和316L不銹鋼材料之間。

Zhang等[50]采用GMAW技術制造了銅/鋼雙金屬復合材料，電弧增材制造銅/鋼雙金屬薄壁件成形效果良好。結果表明，在低合金鋼與硅青銅的界面結合處出現由α-Fe和ε-Cu雙相結構組成的熔化未混合區，易產生微裂紋，導致銅/鋼界面斷裂失效，銅-鋼界面凝固過程中的組織演變過程如圖7所示。由圖7可知，當液相中的熔池金屬LFe, Cu（階段I）過冷到亞穩態液相線時，發生一級液相分離，形成新的富鐵液相L1和富銅液相L2（階段II）。隨著熔池溫度的降低，L1相和L2相均通過包晶反應生成γ-Fe相（階段III）。當熔池繼續冷卻時，殘余的L2相通過包晶反應（L2+γ-Fe→ε-Cu）再次生成ε-Cu固溶體。當熔池溫度降低至850 ℃時，L1相中生成的γ-Fe發生共析反應（γ-Fe→α-Fe+Cu）生成α-Fe固溶體（階段Ⅳ）。當熔池溫度進一步降低時，銅在鐵中的溶解度逐漸降低，在富鐵液相中擴散不充分的銅原子變得過飽和，導致富鐵液相發生二級液相分離（階段V），最終在界面處形成α-Fe和ε-Cu雙相結構組成的熔化未混合區。隨著Cu-Ni合金作為過渡層的引入，低合金鋼與硅之間青銅界面中的Fe、Ni和Cu元素不斷擴散，實現平滑的梯度，改善了硅青銅基體中富鐵相的不均勻性，提高了銅/鋼雙金屬界面的穩定性。銅/鋼雙金屬材料抗拉強度可達345.2 MPa，證明了使用GMAW技術制備低合金鋼和硅青銅雙金屬材料的可行性。

劉艷華等[51]采用TIG搭配磁場輔助技術焊接了T2紫銅和Q235鋼板復合材料，對電弧增材制造技術制造銅/鋼雙金屬材料具有一定的指導作用。研究結果表明，交流磁場輔助焊接相較無磁場時抗拉強度提升了44.5%，抗拉強度可達223.5 MPa。焊接接頭中熔合區顯微硬度最高達659HV，熔合區組織由α-Fe和ε-Cu混合固溶體組成，且晶粒細化，使該區力學性能顯著提高。

圖6 銅/鋼界面特性[46]

圖7 銅/鋼界面凝固過程中的組織演變[50]

Tomar等[52]采用CMT增材制造技術制造了銅/鋼雙金屬材料，在AISI 316L不銹鋼上沉積銅層成功地獲得了梯度結構，實現了CMT新技術在該領域的探索。研究結果表明，富鐵相存在于銅/鋼界面處，直到第二和第三銅層的界面消失，且在第一銅層之后，鐵在銅基體中的分布相對更均勻。鐵相以球狀和樹枝狀形態沉積，在球狀鐵內部發現了過飽和銅相沉淀，但在鐵枝晶中沒有這種沉淀。

Rodrigues等[53]采用雙絲電弧增材制造技術制造了界面處無缺陷、具有高強度和高延展性的銅/鋼雙金屬材料。研究結果表明，在Cu基體界面區，由于區域成分混合，存在δ-Fe殘留。在界面區可見Cu（FCC）和Fe（BCC）相混合物，如圖8所示。銅/鋼雙金屬材料抗拉強度最高達690 MPa，斷裂伸長率為16.6%。銅/鋼界面強度高于純銅，斷裂發生在靠近界面的Cu區域。

上述研究表明，電弧增材制造銅/鋼雙金屬材料的研究已從工藝參數的研究擴展到對界面形成機理的研究。通過控制增材路徑、保護氣等電弧增材技術的工藝參數來調節界面泛鐵現象，可以得到界面無裂紋、無氣孔，冶金結合良好，力學性能優異的銅/鋼雙金屬材料。結合電弧增材技術適用于大型復雜零件制造的優勢，可以看出該技術是必不可少的，但目前這方面的研究還相對較少，未來還需要加深對電弧增材制造技術和機理的研究。

圖8 SEM和EDS下的銅/鋼復合材料[53]

4 結語

目前，針對精度要求較高的銅/鋼雙金屬材料的增材制造技術主要以激光增材制造為主，有關電子束增材制造銅/鋼雙金屬材料的研究還相對較少，但對某些具有特殊性能的合金來說，電子束增材制造確實是合適的技術，有關電弧增材制造銅/鋼雙金屬材料的研究也相對較少，但結合目前電弧增材制造銅/鋼雙金屬材料的研究及電弧增材適用于大型復雜零部件制造的優勢，可以看出該技術是可行且必不可少的。三者相輔相成，面對不同性能需求的材料選擇合適的增材制造技術才能有效提升生產效率。隨著航空、交通等工業領域對銅/鋼雙金屬材料質量與數量需求的提高，采用增材制造技術制造銅/鋼雙金屬材料是目前待解決的重要難題之一。同時，雙金屬材料能“揚長避短”地最大化發揮材料優勢，具有廣闊的應用前景。

增材制造技術相比于傳統制造技術具有制造效率高、易成形復雜零件和成形質量好等顯著優勢，成為銅/鋼雙金屬材料突破當前性能局限性的全新發展方向和技術手段。但是，在銅/鋼雙金屬的增材制造過程中，界面易形成顯微組織分布不均勻、界面晶粒尺寸差異較大和脆性金屬間化合物夾雜等現象，這些缺陷導致雙金屬材料在界面處產生應力集中，進而造成材料斷裂失效。為了解決上述難題，研究者們深入研究第二相形成機理和溫控方式對晶粒尺寸的影響，嘗試通過夾層金屬冶金調控、優化界面處Cu-Fe比例和控制脆相金屬間化合物大小等方式提升銅/鋼雙金屬材料的力學性能。

關于增材制造技術制造銅/鋼雙金屬材料的研究在國際上才嶄露頭角，未來對銅/鋼雙金屬材料的研究仍需進行漫長的探索，在冶金學和熱力學方向上仍需進行系統性的研究。對雙金屬材料而言仍缺少相關模擬數據庫的建立，該項工作也將極大地推動雙金屬材料在增材領域內的發展。未來多金屬復合型梯度材料的發展也離不開雙金屬材料相關研究奠定的理論基礎，新型增材制造工藝或復合增材制造工藝技術也能從熱源作用形式的根本方向上推動銅/鋼雙金屬復合材料的發展，這些都將成為未來增材制造銅/ 鋼雙金屬材料研究的重點發展方向。

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Research Progress of Copper/Steel Bimetallic Materials for Additive Manufacturing

YANG Zhanlina, LIU Yanb*, CAO Boqianga, LIU Faa, YAN Qingsena, LIU Junhuaa, LIU Zhaozhena, LI Boa

(a. School of Mechanical Engineering, b. The Liaoning Provincial Key Laboratory of Advanced Materials & Preparation Technology, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Copper/steel bimetallic materials have the advantages of high mechanical strength, excellent physical and chemical properties, and have broad application prospects in the fields of transportation, power energy and construction industry.However, when the traditional melting casting process is used to manufacture copper/steel bimetallic materials, it is easy to produce the segregation phenomenon at the copper/steel interface,which limits the development of copper/steel bimetallic materials to a certain extent. Compared with the traditional process, additive manufacturing technology can not only realize the rapid manufacturing of complex machined parts, but also shorten the holding time during the forming process, which can alleviate or eliminate the metallurgical defects generated by the interface of dissimilar metal materials, thus enhancing the mechanical properties of copper/steel bimetallic materials. As bimetallic materials have been the focus of research in recent years, there are few review articles on the additive manufacturing of copper/steel bimetallic materials. Therefore, the research and development status of copper/steel bimetallic materials produced by laser, electron beam and wire and arc additive manufacturing technologies in recent years were reviewed, and the advantages and disadvantages of each technology were analyzed. The key factors affecting the change of material interface microstructure and properties were analyzed from the aspects of preparation method, process parameters and interface alloying elements. It was found that in the additive manufacturing of copper/steel bimetallic materials, the laser additive manufacturing technology was mainly applied to small-size parts with high precision requirements, the electron beam additive manufacturing technology was applicable to certain alloys with special properties, such as titanium alloy, and the wire and arc additive manufacturing technology was suitable for large and complex parts with low precision requirements. Moreover, during the additive manufacturing process of copper/steel bimetallic materials, uneven microstructure distribution and large difference in interfacial grain size were easy to be formed at the interface, which led to stress concentration at the interface, thus causing the material to fracture and fail. In order to solve the above problems, scholars have studied the formation mechanism of the second phase in depth, and the properties of copper/steel bimetallic materials have been improved by optimizing the Cu-Fe ratio at the interface and controlling the brittle-phase intermetallic compounds. Finally, the current research and development status of additive manufacturing of copper/steel bimetallic materials are summarized and prospected. In the future, systematic theoretical research on copper/steel bimetallic materials in the direction of metallurgy and thermodynamics is still needed, and relevant bimetallic materials simulation database needs to be established in order to provide detailed guidance and suggestions for relevant practitioners. The development and application of the new additive manufacturing technology or the composite additive manufacturing technology will become the key development direction of copper/steel bimetallic materials for additive manufacturing in the future.

copper/steel bimetallic materials; laser additive manufacturing technology; electron beam additive manufacturing technology; wire and arc additive manufacturing technology; interface defect

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.02.015

TG44

A

1674-6457(2024)02-0117-13

2023-10-30

遼寧省自然科學基金（2023-MS-320）；遼寧省重點研發計劃（2020JH2/10100011）；沈陽大學大學生創新創業訓練計劃項目（202311035035）

Natural Science Foundation of Liaoning Province, China (2023-MS-320); Key R & D Project of Liaoning Province, China (2020JH2/10100011); National Undergraduate Innovation and Entrepreneurship Training Program of Shenyang University(202311035035)

楊棧琳, 劉巖, 曹博強, 等. 增材制造銅/鋼雙金屬材料研究進展[J]. 精密成形工程, 2024, 16(2): 117-129.

YANG Zhanlin, LIU Yan, CAO Boqiang, et al. Research Progress of Copper/Steel Bimetallic Materials for Additive Manufacturing[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(2): 117-129.

（Corresponding author）

2023-10-30