高频感应加热实现冷喷涂CuCrZr-W复合涂层微孔超快速愈合的界面电流调控机制

针对冷喷涂CuCrZr-W复合涂层中硬质颗粒导致的微孔缺陷难题，研究人员采用高频感应加热（HFIH）技术，通过高电阻W颗粒界面处的电流绕流和聚集效应，在17秒内实现微孔快速愈合。该研究揭示了局部高电流密度引发的焦耳热与非热效应协同作用机制，使涂层电导率从20% IACS提升至44%，基体结合剪切强度从169 MPa增至189 MPa，为电磁发射系统等高性能涂层开发提供新策略。

　　

在电磁发射系统、载流摩擦副等尖端领域，Cu-W复合涂层的性能直接决定设备寿命与效率。然而，冷喷涂技术制备这类涂层时，硬质钨（W）颗粒与软质铜铬锆（CuCrZr）基体间的硬度差异，往往导致界面微孔缺陷丛生。这些微孔不仅使涂层电导率骤降至20% IACS（国际退火铜标准），更令基体结合强度停留在169 MPa的低水平。传统热处理需数小时且易损伤基材，摩擦搅拌又会破坏涂层表面，行业亟需一种精准、快速、无损的微孔修复技术。

华中科技大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表突破性成果，他们创新性地采用310 kHz高频感应加热（HFIH）技术，仅用17秒便实现冷喷涂CuCrZr-W涂层微孔的超快速愈合。研究发现，W颗粒的高电阻特性会迫使感应电流在界面处绕流聚集，形成局部高达10⁶ A/m²的电流密度。这种极端条件同时激发焦耳热效应与非热效应：一方面使界面温度瞬时突破Cu再结晶点，驱动晶粒快速长大和原子扩散；另一方面促使Cr、Zr等元素向界面富集，形成5 nm厚的非晶层强化结合。最终涂层电导率飙升至44% IACS，剪切强度提升11.8%达189 MPa。

关键技术包括：1）60 wt.% W的复合粉末冷喷涂沉积；2）310 kHz高频感应加热系统；3）聚焦离子束（FIB）界面表征；4）纳米压痕结合强度测试。

【材料与方法】

采用气雾化W粉（D₅₀=17 μm）与CuCrZr粉（Cr 0.80 wt.%, Zr 0.48 wt.%）混合，在5 MPa氮气压力、800℃条件下冷喷涂至ODS-Cu基体（含0.6 wt.% Al₂O₃）。

【结果与讨论】

• 原始涂层中W颗粒下方存在密集微孔（图2a黄色箭头），界面机械结合薄弱导致颗粒脱落（红色箭头）；

• HFIH处理后微孔体积减少72%，电流在W颗粒边缘形成"热点"（图3d），局部温度较基体高200℃；

• 高分辨透射电镜显示界面非晶层厚度从2 nm增至5 nm（图4f），纳米压痕模量提升19%。

【结论】

该研究首次阐明硬质颗粒/软基体界面在感应电流作用下的微孔愈合动力学：电流绕流效应产生的局域高温加速原子扩散，而非热效应促进界面非晶化。这种"热-力-电"多场耦合机制，为开发核电包壳等极端环境用涂层提供了全新思路。

（注：所有数据与术语均严格参照原文，如D₅₀表示粒径中值，wt.%为质量百分比）