激光粉末床熔融结合箔材制备316L-CuCrZr多材料结构中体心立方相的形成机制与微观结构特征

推荐：研究人员针对316L/CuCrZr多材料金属结构在增材制造中因热力学性能不匹配导致的界面开裂问题，创新性地采用激光粉末床熔融(L-PBF)结合316L钢箔与CuCrZr粉末的混合工艺。通过原位XRD、EDS和EBSD分析，揭示了富Cu/Fe的FCC相与富Fe的BCC相共存机制，提出BCC相形成受相图混溶隙、元素扩散和熔池流体动力学共同调控。该研究为设计具有强化效应的FCC+BCC"复合"微观结构提供了新思路。

　　

在金属增材制造领域，316L不锈钢与铜合金的多材料结构因其兼具优异的结构性能和热/电导特性而备受关注。然而，这两种材料在热力学性能上的显著差异导致界面区域容易出现裂纹和孔隙，严重制约了这类复合结构的工程应用。更棘手的是，传统激光粉末床熔融(L-PBF)工艺中，316L粉末与CuCrZr粉末的混合往往产生不均匀的微观结构，使得材料性能难以精确调控。这些挑战促使科学家们不断探索新的制造方法和微观结构调控策略。

瑞士洛桑联邦理工学院等机构的研究人员独辟蹊径，将50微米厚的316L钢箔与CuCrZr粉末相结合，开发出一种混合L-PBF工艺。通过这种创新方法，他们成功制备出具有独特多相微观结构的316L-CuCrZr复合材料，并系统研究了其中体心立方(BCC)相的形成机制及其对材料性能的影响。这项突破性工作发表在材料科学领域权威期刊《Scripta Materialia》上，为多材料增材制造提供了新的理论指导和技术路径。

研究团队采用了多项先进表征技术：利用同步辐射光源进行原位X射线衍射(XRD)实时监测相变过程；结合电子背散射衍射(EBSD)和能谱分析(EDS)解析微观结构；通过透射菊池衍射(TKD)和透射电镜(TEM)观察纳米尺度特征；采用FIB-DIC狭缝铣削技术测量界面残余应力；并借助CALPHAD热力学计算预测相组成。样品制备方面，CuCrZr基体采用常规L-PBF工艺制造，而后通过微型选择性激光熔化(miniSLM)设备将316L箔焊接其上。

研究结果部分，首先通过"Abstract"揭示，混合工艺产生了富Cu和富Fe两种FCC相与富Fe的BCC相共存的多相结构。原位XRD显示激光处理过程中BCC峰的出现伴随着FCC双峰现象，表明发生了复杂的相变过程。EBSD相图与EDS元素分布的对应分析证实，BCC区域富含Fe(61.2 wt%)、Cr(15.2 wt%)等元素，但Cu含量(7.8 wt%)显著高于原始316L。

"Fig. 2"展示的TKD分析进一步表明，BCC相具有球形或拉长两种形貌，这归因于熔池中的马兰戈尼对流和涡流。EDS线扫描显示BCC-FCC界面存在明显的成分梯度，其中Ni/Cr比为0.55的富Fe区倾向于形成BCC结构。通过修正的Ni_eq公式计算，研究人员将BCC相成分定位在WRC-1992图的特定区域，解释了其形成机制。

"Fig. 3"呈现的高分辨电镜结果更为精彩：球形BCC相内部存在明显的壳-核结构，壳层Cu含量更高；而拉长形BCC相内部则分布着纳米级Cu富集岛和微孔。这些特征证实了液态-液态相分解(LLPD)过程的存在，其中富Fe液滴内部因Cu过饱和而析出富Cu相。

"Fig. 4"提出的形成机制示意图完美整合了各项发现：激光焊接产生由富Cu液相和孤立316L熔体条纹组成的多相熔池；通过元素扩散、颈缩断裂和表面能最小化等步骤，最终形成具有核-壳结构的BCC相。特别值得注意的是，内部Cu富集岛与周围BCC相保持Kurdjumov-Sachs(K-S)取向关系，这有利于降低界面能。

力学性能方面，"Fig. 5"显示BCC相比Cu-rich FCC相具有更高的硬度和弹性模量。尽管BCC相周围存在显著的拉伸残余应力，但球形形貌有效缓解了应力集中，使这种多尺度相混合物展现出类似金属复合材料的强化效果。

这项研究通过创新的混合制造工艺，成功揭示了316L-CuCrZr系统中BCC相的形成机制及其对材料性能的影响。研究证实，控制BCC相含量对设计具有强化效应的FCC+BCC复合微观结构至关重要。从应用角度看，该方法不仅解决了多材料界面结合难题，还为功能梯度材料的设计提供了新思路。特别值得关注的是，研究提出的相形成机制模型具有普适意义，可推广至其他存在混溶隙的合金系统。未来，通过精确调控激光参数和材料配比，有望实现微观结构的定制化设计，进一步拓展多材料增材制造在热管理、电子器件等领域的应用前景。