高速激光熔覆/重熔制备Cu/W复合涂层的元素扩散行为与性能优化研究

针对难混溶W/Cu体系合金化难题，山西科研团队创新性采用高速激光熔覆(HSLC)和重熔(HSLR)技术制备复合涂层。研究发现重熔工艺使涂层显微组织从细长枝晶转变为"雪花状"晶体，W/Cu元素最大扩散距离提升至1.79 μm，硬度达213.5 HV0.2且摩擦系数降低23.1%，为开发高性能难混溶合金涂层提供了新思路。

　　

在电力电子和冶金领域，钨铜复合材料因其兼具钨的高硬度（>300 HV）和铜的优异导电性（5.96×10⁷ S/m）而备受青睐。然而这对"天生不合"的元素——W/Cu在常规条件下难以形成均匀合金，其混溶间隙（miscibility gap）导致两者就像油与水般难以融合。传统机械合金化虽能强制混合，但往往伴随成分偏析和界面结合弱等问题，严重制约材料性能突破。

山西某研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，创新性地采用高速激光熔覆(HSLC)与重熔(HSLR)联用技术，在铜合金表面成功制备出W/Cu复合涂层。这项研究首次系统揭示了快速凝固条件下晶格畸变诱导的元素扩散机制，使涂层硬度提升17.5%的同时显著改善耐磨性，为开发新一代难混溶合金涂层提供了理论和技术支撑。

关键技术包括：1）采用RFL-C6000XC系统进行高速激光熔覆，激光功率2.2 kW，扫描速度15 m/min；2）使用HR-PFH-DT1H06同轴送粉装置输送22-44 μm钨粉；3）高纯氩气保护下进行重熔处理，冷却速率达10⁵ K/s量级；4）通过XRD、SEM-EDS分析相组成和元素分布。

【材料与涂层制备】
选用Cu合金棒材为基底，预处理后采用99.9 wt% W粉进行熔覆。通过优化激光功率密度（3.5×10⁴ W/cm²）和搭接率（35%），获得厚度约300 μm的均匀涂层。

【相组成对扩散的影响】
XRD分析显示，重熔后W(110)晶面衍射角右移0.12°，Cu(111)晶面左移0.08°，证实固溶度提高。SEM观察到重熔区出现典型胞状晶-枝晶转变，界面位错密度增加3.2倍，为元素扩散提供通道。

【结论】
研究证实HSLR处理使涂层呈现三大突破：1）显微组织从细长二次枝晶演变为短枝晶最终形成"雪花状"晶体；2）W/Cu在结合区的最大扩散距离从1.53 μm增至1.79 μm；3）硬度提升至213.5 HV_0.2，摩擦系数降低23.1%。该成果不仅为制备高性能W/Cu涂层开辟新途径，更深化了对快速凝固条件下非平衡扩散机制的理解，在电触头、热沉材料等领域具有重要应用前景。