溶质偏析与低角度晶界协同提升冷喷涂CuCrZr合金热稳定性及低热膨胀特性的机理研究

【编辑推荐】火箭发动机内衬材料需兼具高导热性、高强度与热稳定性。本研究通过冷喷涂增材制造技术制备非平衡态CuCrZr合金，结合HT-XRD、APT和EBSD等技术，揭示Cr偏析与低角度晶界（LAGBs）的Zener钉扎效应可使其在950oC下保持高热稳定性，且热膨胀系数低于平衡态合金，为异质金属双层结构设计提供免热处理解决方案。

　　

在火箭发动机极端热负荷环境下，传统纯铜内衬因高温强度不足易失效，而CuCrZr合金虽可通过时效强化提升性能，但其与镍基外壳的热膨胀失配问题仍待解决。冷喷涂增材制造（Cold spray additive manufacturing）技术通过剧烈塑性变形（SPD）直接制备非平衡态合金，但此前缺乏对其热稳定性的系统研究。为此，印度国家理工学院（NITK）与印度科学研究所（IISc）的研究团队采用原位高温X射线衍射（HT-XRD）、原子探针层析技术（APT）等方法，首次揭示了冷喷涂CuCrZr在950^oC下的异常稳定性机制，相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

关键技术包括：采用850^oC/50 bar参数冷喷涂制备CuCrZr圆柱体；通过HT-XRD进行阶梯升温（至950^oC）和等温实验；结合Thermo-Calc模拟平衡态热膨胀行为；利用APT分析Cr元素三维偏析，EBSD表征低角度晶界（LAGBs）分布。

【Microstructure of as-deposited CuCrZr】
背散射电子成像显示层状SPD形貌，APT证实Cr在晶界处富集（浓度达体相3倍），EBSD检测到52%晶界为LAGBs（<15°），这种自组织微观结构类似偏析工程（SE）特征。

【Conclusion】

1. HT-XRD证实非平衡态合金在950^oC下晶粒尺寸仅增长17%，热膨胀系数比平衡态低12%；
2. Cr偏析与LAGBs协同产生Zener钉扎效应，抑制晶界迁移；
3. 冷喷涂固有特性可替代传统热处理，直接获得适用于火箭发动机双层喷嘴的微结构。

该研究突破性地证明非平衡态合金的工程化优势：通过工艺内生微结构调控实现“制造即稳定”，为异质金属构件（如CuCrZr/Ni基合金）的界面稳定性设计提供新范式。尤其值得注意的是，Cr偏析与LAGBs的协同作用机制为开发新型高温抗蠕变材料指明方向，其自组织特性可大幅降低后续加工成本。