《Materials & Design》：Cold spray additive manufacturing of Inconel 718/Cu and Inconel 718/GRCop-42 multi-materials: effects of deposition sequence on interface and thermal conductivity
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研究了冷喷涂增材制造技术用于Inconel-铜系统的多材料打印。研究了不同沉积顺序（Inconel与纯铜以及Inconel与GRCop-42）对热导率的影响。采用瞬态平面源法（TPS）和激光闪光法（LFA）测量热导率。引入了一种有效的热处理来提高多材料结构的热
研究了冷喷涂增材制造技术用于Inconel-铜系统的多材料打印。研究了不同沉积顺序（Inconel与纯铜以及Inconel与GRCop-42）对热导率的影响。采用瞬态平面源法（TPS）和激光闪光法（LFA）测量热导率。引入了一种有效的热处理来提高多材料结构的热导率。
**论文解读：冷喷涂增材制造Inconel 718/Cu和Inconel 718/GRCop-42多材料——沉积顺序对界面和热导率的影响**
**研究背景与问题**
随着航空航天、能源和汽车工业对高性能组件的需求日益增长，将两种或多种不同金属集成于单一部件的多材料结构成为关键发展方向。这类结构，如双金属接头或功能梯度材料，可在特定区域实现位置依赖的热物理性能、微观结构和力学性能的定制化。特别是在火箭推力室衬套、再生冷却通道、热交换器和高性能工具中，需要结合铜（Cu）合金在散热区域的高导热性以及镍（Ni）基超合金在承载区域的高温强度和抗氧化性。然而，传统的基于熔融的增材制造（AM）技术，如激光粉末床熔融（LPBF）、定向能量沉积（DED）和电弧增材制造（WAAM），在制造异种材料时存在高残余应力、元素稀释和脆性金属间化合物形成等缺陷，严重损害了力学和热学性能。冷喷涂增材制造（CSAM）作为一种固态工艺，通过高压气体加速颗粒至超音速，利用剧烈塑性变形实现结合，避免了熔融相关的缺陷，同时保留了原料的相组成和微观结构。CSAM还具有沉积速率高、适用于高反射材料（如Cu和铝）等优势。尽管CSAM在异种金属结合中潜力巨大，但关于Ni基超合金与Cu基合金多材料结构的系统研究，特别是沉积顺序对界面、微观结构、硬度和热传输性能的影响，尚属空白。本研究旨在解决这一关键问题，首次系统评估CSAM制备的IN718-Cu和IN718-GRCop-42多材料结构，并探讨后沉积热处理对热性能的调控作用。
**研究内容与结论**
研究人员采用CSAM技术成功制备了四种多材料配置：IN718/Cu、Cu/IN718、IN718/GRCop-42和GRCop-42/IN718（其中斜杠表示顶层/底层）。通过瞬态平面源法（TPS）和激光闪光法（LFA）分别测量面内和面外热导率，结合X射线计算机断层扫描（X-CT）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）和显微硬度测试，系统分析了沉积顺序对界面形态、孔隙率、硬度分布及热导率各向异性的影响。研究还引入了一种双步时效热处理（720°C 8小时 + 620°C 8小时），以优化热性能。主要结论包括：沉积顺序显著影响界面形貌和孔隙率，Cu/IN718配置的界面缺陷较少；面内热导率主要由成分体积分数决定，与混合定律吻合良好，Cu-IN718多材料的面内热导率约为173 W/m·K，而GRCop-42-IN718系统约为46-50 W/m·K；面外热导率则显著较低（14-20 W/m·K），表现出强烈的各向异性，这归因于界面热阻和层状结构；热处理对GRCop-42/IN718系统的热导率提升尤为显著，面内热导率从约48 W/m·K增至111 W/m·K（提升约131%），而Cu-IN718系统变化不大。该研究证明了CSAM在制造高性能Ni-Cu多材料组件中的潜力，并揭示了沉积顺序和热处理对热传输性能的关键调控作用。
**关键技术与方法**
本研究采用的主要关键技术方法包括：利用Impact Spray System 5/11冷喷涂系统进行多材料沉积，工艺参数经过优化以保证沉积质量；热导率测量采用瞬态平面源法（TPS）和激光闪光法（LFA），分别用于面内和面外方向；微观结构表征依赖X射线计算机断层扫描（X-CT）、扫描电子显微镜（SEM）配合能谱分析（EDS）和电子背散射衍射（EBSD）；显微硬度测试使用DuraScan G5自动硬度计，对Cu、IN718和GRCop-42分别采用不同载荷。粉末原料来源：GRCop-42购自Carpenter Additive，IN718和Cu购自Metalpine。
**研究结果**
**3.1. 面内热导率（TPS法）**：通过TPS测量发现，面内热导率主要受各成分体积分数控制，与简单混合定律预测值偏差约8-10%。Cu-IN718多材料（约55% IN718/45% Cu）的面内热导率约为172-174 W/m·K，而GRCop-42-IN718系统（49% IN718/51% GRCop-42）约为50.6 W/m·K，沉积顺序对面内热导率影响有限。
**3.2. 面外热导率（LFA法）**：LFA测量显示所有多材料的面外热导率显著降低，仅为14-20 W/m·K，与串联热阻模型高度吻合。热导率各向异性比（面内/面外）在单材料中约为0.78-0.94，而在多材料中增至2-9，其中Cu-IN718接头各向异性最强。这表明界面热阻是面外热传输的主导限制因素。
**3.3. 微观结构分析**：光学显微镜和SEM观察显示，Cu-IN718界面宏观缺陷少，但IN718侧存在孔隙；Cu/IN718配置中Cu层沉积在IN718上时，界面更平滑，孔隙更少。GRCop-42-IN718界面在两侧均观察到较多孔隙，与GRCop-42较高的硬度和较低的塑性变形能力相关。X-CT确认了孔隙的三维分布。EDS线扫描显示界面处成分突变，无扩散区或金属间化合物形成，表明结合以固态撞击接触为主。EBSD分析显示Cu晶粒较粗大，GRCop-42晶粒较细，IN718因严重塑性变形导致低索引率。KAM图显示沉积态GRCop-42区域存在高密度位错和储存应变能。
**3.4. 显微硬度测试**：显微硬度测量显示，IN718硬度为470-500 HV，GRCop-42约为182 HV，Cu约为71-88 HV。沉积顺序影响Cu层硬度：Cu沉积在IN718上时硬度更高（88 HV），归因于刚性基底上的应变硬化；反之则较低（71 HV）。GRCop-42硬度高于传统制造值，源于冷喷涂的剧烈塑性变形。
**3.5. 热处理对热性能的影响**：热处理后，GRCop-42单材料的面内热导率从85 W/m·K跃升至301 W/m·K（提升约250%），GRCop-42-IN718多材料的面内热导率从约48增至111 W/m·K（提升约131%），而Cu和IN718变化不大（Cu下降约5%，IN718提升约5%）。EBSD和KAM分析表明，热处理促进了GRCop-42区域的晶粒粗化、位错密度降低和应力释放，减少了电子散射中心，从而大幅提升热导率。Cu因沉积过程中已发生动态再结晶，储存变形能有限，因此改善不显著。
**讨论与结论**
讨论部分指出，热处理对GRCop-42系统效果显著，因其沉积态保存了更高的变形能，而Cu的动态恢复限制了进一步改善。界面热阻是导致面外热导率低下的关键因素，CSAM的固态特性避免了金属间化合物形成，但尖锐的成分边界也增加了热阻。研究结论翻译如下：冷喷涂增材制造被研究作为制造多材料结构的有效技术。成功沉积了不同沉积顺序的Cu-IN718和GRCop-42-IN718多材料，系统评估了材料顺序对热导率的影响。使用TPS测量面内热导率，LFA测量面外热导率。Cu和IN718多材料表现出优越的面内热导率（约173 W/m·K），主要归因于Cu相比GRCop-42具有更高的本征热导率和更大的晶粒尺寸。Cu中较低的晶界密度限制电子散射，从而提高热传输效率。相比之下，所有样品的面外热导率显著较低（约14-20 W/m·K）。这种降低主要与界面热阻和多材料沉积的层状结构有关，阻碍了跨材料边界的热流。值得注意的是，GRCop-42/IN718样品在热处理后热导率显著提高（从约48到111 W/m·K，增加约131%）。这种增强归因于热处理过程中的微观结构演变，特别是晶粒生长和应力释放，减少了晶界密度和位错相关散射。结果表明，后处理热处理在优化冷喷涂制造多材料系统的热传输中起关键作用。总体而言，本研究展示了冷喷涂增材制造用于生产高性能多材料组件的潜力，并强调了沉积顺序和后沉积热处理在定制热传输性能中的重要性。该论文发表在《Materials》。
