固态增材制造技术在铝基体上构建高强可键合铜涂层的突破性研究

本研究针对铜(Cu)-铝(Al)异质材料界面结合强度低、导电性能差等关键问题，通过冷喷涂增材制造(CSAM)技术，在优化工艺参数（1000°C/50bar）下成功制备出电导率达98% IACS、热导率384 W·m?1 ·K?1 且界面强度＞50MPa的Cu涂层。该研究为轻量化高性能电子元器件提供了无需后处理的规模化解决方案。

　　

在电子器件轻量化与高性能化的需求驱动下，铜(Cu)与铝(Al)的异质材料结合技术长期面临两大挑战：传统熔焊会导致低熔点Al基体损伤，而扩散焊又存在效率低下、成本高昂的问题。更棘手的是，Cu/Al界面易形成脆性金属间化合物，严重影响导电性能和机械强度。现有电镀或热喷涂技术虽能实现Cu层沉积，但普遍存在孔隙率高（＞5%）、界面结合弱（＜20MPa）等缺陷，迫使业界不得不依赖复杂的后处理工序。

某研究机构团队在《Materials Characterization》发表的研究中，创新性地采用冷喷涂增材制造(Cold Spray Additive Manufacturing, CSAM)这一固态沉积技术，通过精确控制进气温度（400-1000°C）和压力（30-50bar）等核心参数，在无需基体熔化的前提下实现了Cu颗粒的超音速沉积。研究团队结合电导率测试（四探针法）、热导率分析（激光闪射法）和剪切强度试验，系统评估了涂层性能；并借助电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)揭示了界面微观结构演化机制。

《工艺参数优化》章节显示，当进气参数提升至1000°C/50bar时，Cu颗粒动能达到临界沉积阈值（＞600m/s），沉积密度显著提高至99.3%。此时涂层电导率（98% IACS）与块体Cu（101% IACS）的差距缩小至3%以内，热导率（384 W·m^?1
·K^?1
）达到纯铜的97%。

《界面强化机制》部分通过微观分析发现，高压气流引发的剧烈塑性变形促使Cu颗粒发生动态再结晶(DRX)，晶粒尺寸从初始15μm细化至2-5μm。更关键的是，在局部绝热升温效应下，Cu/Al界面处形成了厚度约200nm的过渡层，能谱(EDS)证实该区域存在CuAl₂
和Cu₉
Al₄
等金属间化合物，通过扩散 bonding 实现了50.7MPa的界面强度，比常规冷喷涂提高170%。

《基体响应特性》研究首次报道了CSAM工艺对Al基体的独特改性作用：沉积过程中的局部热输入（估算峰值温度280°C）诱发了基体表层约5μm区域的位错重组，使残余应力降低至＜50MPa，远低于热喷涂工艺（通常＞200MPa）。这种自退火效应大幅提升了界面抗疲劳性能。

该研究突破了传统异质材料连接的工艺局限，证实CSAM技术可通过单一工序同步实现涂层致密化、界面强化和应力调控。其价值不仅体现在工艺参数数据库的建立（构建了温度-压力-性能关系图谱），更开创性地揭示了固态沉积中动态再结晶与扩散 bonding 的协同作用机制。这项技术为新能源汽车电池集流体、航空航天轻量化导线等场景提供了新的技术路线，据估算可减少后处理能耗达80%。研究团队特别指出，该工艺对其它高熔点差材料体系（如Ti/Fe、Mg/Al等）具有普适性参考价值。