北京理工大学研究团队采用电弧定向能量沉积技术制备了Cu-10Fe难混溶合金，实现了37.1%的高延展性。该合金在增材制造凝固过程中发生液相分离(LLPS)，形成由微米/纳米Fe颗粒、纳米Cu颗粒、Fe枝晶以及Cu基体组成的多层级异质显微组织，有效抑制了宏观偏析，提升了力学性能。研究结果为高性能大尺寸难混溶铜合金的高效制造与工程应用奠定了理论和技术基础。

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研究内容简介

研究背景

Cu-Fe合金因其优异的力学性能、高导电性和电磁性能，在电气、汽车与航空航天领域具有广泛应用。然而，由于其混合焓为正值，传统铸造过程中因发生液相分离而形成宏观偏析缺陷，导致其冶金质量与力学性能难以达到工程应用要求。增材制造技术以小尺寸熔池为基本成形单元，其微区冶金成形的特点为Cu-Fe难混溶合金的高质量制备提供了解决途径。

技术亮点

本研究采用电弧熔丝定向能量沉积技术(WA-DED)，以电弧为热源，克服了铜合金对红外激光高反射率的问题，具有无模壳自由成形、沉积效率高、成形尺寸大、生产成本低等优势。

微观结构特征

通过SEM、EBSD、TEM等分析手段，发现合金在WA-DED快速凝固过程中发生了液-液相分离，形成了多层级异质显微组织，包括微米级与纳米级Fe颗粒，纳米级Cu颗粒，Fe枝晶和Cu基体；合金平均晶粒尺寸为28μm，并表现出弱取向织构。WA-DED成形Cu-10Fe合金的凝固机制为：在亚包晶成分下，γ-Fe相通常从Cu-10Fe合金熔体中形核，并伴随以下包晶反应γ-Fe + Liquid → ε-Cu；在增材制造快速凝固过程中，γ-Fe相由于凝固前沿过冷而形成枝晶形貌，同时引起液相分离Liquid-Liquid Phase Separation (LLPS)，合金熔体分离形成富Fe熔体和富Cu熔体；由于WA-DED凝固速率高、溶质扩散速率慢，从而有效抑制了Stokes和Marangoni，从而形成均匀显微组织；富Fe颗粒在凝固过程中发生合并与长大，形成微米和纳米Fe颗粒共存的显微组织；由于发生二次液相分离，Fe颗粒内部形成了纳米Cu颗粒，在Cu基体形成了纳米Fe颗粒，最终形成多层级异质显微组织。

力学性能

水平方向试样表现出更优的强度与延性：抗拉强度为354.8 MPa，屈服强度为179.7 MPa，延伸率为37.1%。断裂模式为韧性断裂，断口呈现韧窝形貌，Fe颗粒位于韧窝中心。变形过程中形成变形孪晶，进一步提升韧性与应变硬化能力。

性能对比

与铸造、热轧、冷轧、喷射沉积等制造方法相比，电弧熔丝增材制造Cu-10Fe合金在保持强度的同时，材料塑性更加优异，展现出工程应用潜力。

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论文通讯作者简介

郭跃岭：北京理工大学机械与车辆学院研究员、博导、系副主任，从事金属熔丝增材制造与原位成形技术研究。主持了国家自然科学基金（面上+青年）、国防基础科研项目及重点项目课题、企业委托等10余项科研项目；发表第一或通讯作者论文60余篇，授权国家发明专利10余项；入选2025年全球前2%顶尖科学家榜单、小米青年学者、北京高层次创新创业人才支持计划青托工程，曾获杭州青山湖材料基因工程青年科学家奖等奖励。团队研究成果在兵器、航天等领域实现应用，并获得央视大型纪录片《瓣瓣同心-京津冀协同发展十年》的报道。

罗龙溪：美国哥伦比亚大学博士，清华大学博士后，北京理工大学机械与车辆学院副研究员，主要从事、增材制造质量稳定性控制、移动式增材制造机器人，视觉感知和装备控制相关工作。以第一作者/通讯作者发表学术论文30余篇，申请/授权国家发明专利10余项，出版教材1部。主持国家重点研发“增材制造与激光制造”专项课题 — 移动式增材制造机器人与多机器人协同制造单元等多个科研项目。

03 资助信息

本研究得到了国家自然科学基金（52475320）的支持。

04 原文信息

Xinglong Di, Siyi Peng, Yueling Guo, Shuijun Ye, Longxi Luo, Bo Yin, Changmeng Liu,Wire-arc directed energy depositing high-ductility Cu-10Fe immiscible alloy with a hierarchical microstructure, Smart Materials in Manufacturing,Volume 3,2025,100095.

05 原文链接

https://doi.org/10.1016/j.smmf.2025.100095

06 期刊简介

Smart Materials in Manufacturing (SMMF) 是一本跨学科的开放获取型国际期刊。期刊主要关注最新型嵌入式功能材料的制造、加工及创新，聚焦现有及最前沿的处理新型材料及系统的制造技术。期刊主编由RMIT University的Cuie Wen教授担任。

SMMF主要刊发原创研究论文、权威评论和最前沿的研究理论及观点。涉及研究领域包括但不限于结构层次、仿生学、受控相位形成、结构适应性、形状记忆和变形能力、刺激响应、针对目标应用、传感和驱动的改进和定制特性。

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