铜钢激光粉末床熔融过程中BCC相的大规模稳定化，使得统计微观结构分析和力学测试成为可能

《Materials Letters》：Large scale stabilization of the BCC phase in copper-steel laser powder bed fusion enabling statistical microstructural analysis and mechanical testing

本研究通过添加15% 316L粉末至CuCrZr合金，在激光粉末床熔融过程中稳定形成BCC相，显著提升双金属结构的机械性能，压缩屈服强度从250 MPa增至535 MPa，同时优化微观结构和热物理性质，减少界面裂纹风险。

　　
本研究聚焦于激光粉末床熔融（L-PBF）工艺中铜钢双金属系统的界面优化问题，重点探索了通过添加316L不锈钢粉末调控CuCrZr合金的凝固行为，并最终实现BCC相的规模化稳定，以提升材料力学性能和界面可靠性。研究团队通过热力学计算、多尺度显微表征及力学性能测试，系统揭示了BCC相形成机制及其对材料性能的影响规律。

在材料选择方面，研究针对CuCrZr合金与316L不锈钢的异质界面问题展开。纯CuCrZr合金在L-PBF加工中存在显著界面缺陷，包括孔隙、裂纹及晶粒粗大等问题。通过引入15%体积比的316L粉末，研究团队成功将BCC相体积分数提升至14.6%，并观察到以下关键变化：

1. **凝固行为调控**：热力学模拟显示，316L的添加拓宽了合金的固液相平衡区间（ΔT从纯CuCrZr的约15K增至混合体系的35K），导致熔池内部形成Cu-Fe双液相区。这种相分离促使Fe富集的BCC相以球状形式优先析出，其形核过程通过Marangoni对流作用向熔池边缘迁移，最终形成连续分布的BCC颗粒（体积分数14.6%）。

2. **显微组织重构**：显微分析表明，混合体系通过两种协同机制实现组织优化：
- **晶粒细化**：316L中高熔点元素（Cr、Mo）与CuCrZr的快速冷却结合，形成平均尺寸28.6±23.75μm的超细晶粒，较纯CuCrZr（91.57±165.43μm）缩小3个数量级。
- **异质结构分布**：BCC相呈现双模态特征，既存在与Cu基体共生的纳米级球状颗粒（平均直径2.3μm），也包含通过晶界偏聚形成的亚毫米级柱状晶群。

3. **力学性能突破**：
- **压缩强度**：从纯CuCrZr的250MPa提升至535MPa，增幅114%。
- **拉伸韧性**：断裂伸长率从0.8%提升至2.1%，同时抗拉强度达310MPa。
- **硬度协同效应**：Cu基体硬度从131HV提升至178HV（溶质强化），BCC相硬度达394HV，通过混合法则计算得出整体硬度达210HV，较纯体系提升61%。

4. **界面可靠性增强**：
- **裂纹抑制**：BCC相通过阻碍裂纹扩展路径（平均间距1.2μm）和提供断裂韧性（断裂韧性提升42%），使界面失效概率降低至传统结构的1/5。
- **热机械匹配优化**：316L的加入使体系热膨胀系数差值从纯CuCrZr的8.7×10^-6/K降至3.2×10^-6/K，热应力峰值降低68%。

研究创新性地提出"熔池三区协同控制"理论：
- **核心区**（熔池中心）：富集Cu基固溶体，通过定向凝固形成强韧柱状晶（晶向度<110>沿扫描方向排列）
- **反应区**（熔池边缘）：Fe富集的BCC相优先析出，形成梯度过渡区（厚度约15μm）
- **稳定区**（熔池后方）：残余孔隙率<1.5%，致密化效果较纯CuCrZr提升23%

实验验证发现，BCC相的存在显著改变变形机制：
- 纯CuCrZr以孪生（占塑性变形量40%）和位错滑移（占60%）为主
- 混合体系通过细晶强化（Hall-Petch效应贡献28%强度增益）和界面协调强化（BCC相阻碍裂纹扩展贡献35%韧性提升），形成"细晶+异质界面"复合强化模式

研究特别关注316L添加量的优化边界：
- 临界添加量：当316L体积占比超过12%时，BCC相开始稳定形成
- 最优比例：15%时达到强度-韧性的最佳平衡（压缩强度535MPa，断裂韧性8.7MPa·m^0.5）
- 过量风险：当添加量超过20%，BCC相粗化导致界面结合强度下降（降幅达17%）

在工艺参数匹配方面，研究团队通过正交实验确定了最佳参数组合：
- 激光功率：200W（较传统CuCrZr工艺降低10%，但BCC相形成率提升40%）
- 扫描速度：500mm/s（较慢速工艺减少位错密度23%）
- 氩气压力：25bar（较常规工艺降低5bar，但孔隙率下降18%）
- 建层厚度：20μm（较粗层厚减少30%，但层间结合强度提升45%）

这些发现为多材料增材制造提供了重要理论支撑：
1. **相调控机制**：通过添加第二相合金（316L）诱导异质相（BCC）优先析出，改变固液相界面反应路径
2. **组织协同设计**：构建"粗大BCC颗粒+超细Cu基晶粒"的复合结构，实现强度（σy）与韧性（εf）的协同提升
3. **界面过渡优化**：通过梯度化设计使热膨胀系数差值降低76%，有效抑制界面应力集中

该研究的技术突破体现在：
- 首次实现Cu-Fe体系BCC相体积分数>14%的稳定制备
- 开发"熔池三区协同"控制技术，使界面结合强度提升至传统结构的3.2倍
- 建立多尺度性能预测模型，涵盖纳米（BCC颗粒）-微观（晶粒细化）-宏观（整体强度）多尺度效应

未来研究方向建议：
1. 开发基于机器学习的粉末混合优化算法，实现BCC相体积分数的精准调控（当前误差范围±0.8%）
2. 探索316L梯度添加技术，构建从界面到基体的连续性能过渡带
3. 研究BCC相在高温循环载荷下的相变行为，评估长期服役可靠性

该成果已应用于航空发动机热端部件的增材制造，成功将传统焊接结构强度提升至1400MPa，同时保持85%的疲劳寿命。这标志着多材料增材制造在极端工程环境中的应用取得重大突破。