國(guó)儀量子掃描電鏡助力揭示互鎖型 Cu–Fe 基正混合焓復(fù)合材料的界面強(qiáng)化機(jī)制

——《Nature Communications》：超快燒結(jié)與瞬時(shí)淬火突破不互溶金屬體系組織調(diào)控瓶頸

隨著航空航天、能源裝備、特殊服役構(gòu)件和高耐磨導(dǎo)電部件等應(yīng)用場(chǎng)景不斷升級(jí)，結(jié)構(gòu)材料不僅需要高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨性，還需要在復(fù)雜環(huán)境中保持穩(wěn)定的界面結(jié)合和抗失效能力。傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)長(zhǎng)期主要圍繞負(fù)混合焓體系展開，因?yàn)檫@類元素更容易實(shí)現(xiàn)均勻混合和固溶強(qiáng)化。相比之下，Cu–Fe 等正混合焓金屬體系由于液態(tài)不互溶、高溫元素偏析和相分離動(dòng)力學(xué)難以控制，長(zhǎng)期面臨組織粗化、界面弱結(jié)合和性能不足等瓶頸。

針對(duì)上述難題，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王成威教授團(tuán)隊(duì)、南京理工大學(xué)蘭司教授、香港城市大學(xué)（東莞）吳楨舵團(tuán)隊(duì)等提出了一種超高溫快速燒結(jié)與瞬時(shí)淬火耦合的 UHSQ（Ultrafast High-temperature Sintering and Quenching）策略，并以 Cu–50 vol% Fe₅₅Cr₂₅Mo₁₆B₂C₂ 正混合焓復(fù)合材料為模型體系，構(gòu)筑出具有多尺度互鎖界面的 Cu–Fe 基復(fù)合材料。相關(guān)成果以 “Breaking immiscibility barriers: ultrafast sintering of interlocked Cu-Fe-based composites" 為題發(fā)表在《Nature Communications》。

正混合焓體系的核心難題：不是簡(jiǎn)單混合，而是相分離失控

正混合焓金屬體系的關(guān)鍵問題在于，組元之間在熱力學(xué)上缺乏穩(wěn)定混合驅(qū)動(dòng)力。在高溫液相或半液相過程中，Cu 與 Fe 基組元容易發(fā)生液相分離、元素偏析和界面失穩(wěn)。傳統(tǒng)熔煉、爐燒結(jié)或長(zhǎng)時(shí)間熱處理往往給元素?cái)U(kuò)散和相分離留下充足時(shí)間，最終導(dǎo)致 Cu 富集區(qū)與 Fe 富集區(qū)粗大分離，界面連續(xù)性差，力學(xué)性能難以充分發(fā)揮。

因此，這項(xiàng)工作的科學(xué)出發(fā)點(diǎn)不是單純提高燒結(jié)溫度，也不是簡(jiǎn)單引入硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)，而是將正混合焓體系的制備問題重新定義為 “非平衡動(dòng)力學(xué)捕獲" 問題：在相分離和界面松弛充分發(fā)展之前，通過極短高溫窗口和快速冷卻路徑鎖定目標(biāo)組織。

UHSQ：快速升溫、短時(shí)燒結(jié)和瞬時(shí)淬火耦合

研究團(tuán)隊(duì)在 UHS 快速焦耳加熱的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入瞬時(shí)淬火過程，形成 UHSQ 工藝。樣品在碳基加熱體之間快速升溫并完成短時(shí)高溫?zé)Y(jié)，隨后迅速進(jìn)入低溫高導(dǎo)熱介質(zhì)中淬火。該工藝同時(shí)具備快速熱輸入和快速熱抽離能力，使材料經(jīng)歷快速升溫、短時(shí)高溫平臺(tái)和快速冷卻三個(gè)連續(xù)階段。

圖1展示了 UHSQ 的核心工藝邏輯與界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。快速燒結(jié)提供足夠的瞬時(shí)熱驅(qū)動(dòng)力，使粉末前驅(qū)體實(shí)現(xiàn)致密化和相間接觸；瞬時(shí)淬火則將高溫狀態(tài)下形成的界面結(jié)構(gòu)迅速保留下來，抑制長(zhǎng)時(shí)間熱暴露引發(fā)的粗化和偏析。更重要的是，Cu 相與 FeCrMo 增強(qiáng)相之間形成了類似 “鉚釘式" 的界面互鎖結(jié)構(gòu)，使原本弱結(jié)合的不互溶界面轉(zhuǎn)化為具有強(qiáng)載荷傳遞能力的物理結(jié)合界面。

圖1. UHSQ 工藝與界面互鎖機(jī)制。

UHSQ 通過快速焦耳加熱與瞬時(shí)淬火，在極短時(shí)間窗口內(nèi)完成 Cu–Fe 基正混合焓復(fù)合材料的燒結(jié)與組織鎖定；

快速熱歷史誘導(dǎo) Cu 相與 FeCrMoBC 增強(qiáng)相形成緊密貼合的“鉚釘式"界面互鎖結(jié)構(gòu)。

前驅(qū)體設(shè)計(jì)：用高能球磨建立兩相初始接觸

為了讓不互溶兩相在后續(xù)超快燒結(jié)過程中形成有效界面，前驅(qū)體粉末的空間接觸狀態(tài)至關(guān)重要。研究團(tuán)隊(duì)通過高能球磨處理，使延展性較好的 Cu 顆粒逐步覆蓋 Fe₅₅Cr₂₅Mo₁₆B₂C₂ 金屬玻璃顆粒表面，從而在燒結(jié)前建立更緊密的兩相接觸。

圖2a–c 顯示，未經(jīng)充分球磨的 Fe 基金屬玻璃顆粒表面較為光滑，不利于界面附著；隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng)，Cu 顆粒逐漸包覆在金屬玻璃顆粒表面，形成更有利于后續(xù)界面連接的復(fù)合前驅(qū)體。圖2d 給出了金屬玻璃顆粒尺寸分布，說明增強(qiáng)相顆粒仍保持微米級(jí)特征尺寸，為后續(xù)形成微米尺度互穿骨架和納米尺度界面結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)。

圖2e 的 XRD 結(jié)果表明，不同燒結(jié)和淬火路徑會(huì)顯著影響 Fe 基金屬玻璃增強(qiáng)相的晶化行為。UHSQ 中的快速淬火可以調(diào)節(jié)增強(qiáng)相從非晶態(tài)向多相納米晶結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變路徑。圖2f 則直接對(duì)比了爐燒結(jié)、普通 UHS 和 UHSQ 的顯微組織：爐燒結(jié)出現(xiàn)明顯 Cu 富集區(qū)和 Fe 富集區(qū)分離；普通 UHS 仍存在弱界面；UHSQ 則獲得更加均勻的 Cu–Fe 基互穿結(jié)構(gòu)和更緊密的相間結(jié)合。

圖2. 前驅(qū)體粉末設(shè)計(jì)、相結(jié)構(gòu)演化與不同燒結(jié)方式的組織對(duì)比。

高能球磨使 Cu 顆粒逐步包覆 Fe 基金屬玻璃顆粒，提高兩相初始接觸；

相比爐燒結(jié)和普通 UHS，UHSQ 顯著抑制宏觀偏析和弱界面，獲得更加均勻的互穿復(fù)合組織。

多尺度互鎖界面：從組織均勻性到載荷傳遞

UHSQ 的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)成果是形成多尺度互鎖界面。圖3a、b 的 TEM/EDS 結(jié)果顯示，Cu 基體與 FeCrMo 增強(qiáng)相之間形成清晰且緊密貼合的界面，局部區(qū)域呈現(xiàn)明顯的互鎖形貌。該界面不是傳統(tǒng)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中的簡(jiǎn)單相界，而是由快速燒結(jié)和快速淬火共同塑造的幾何嵌合結(jié)構(gòu)。

圖3c 進(jìn)一步揭示了 Fe 基增強(qiáng)相內(nèi)部的多相納米晶結(jié)構(gòu)。快速淬火誘導(dǎo)金屬玻璃發(fā)生受控晶化，形成 Fe–Cr 基體、Mo 富集納米晶和 Fe 富集區(qū)域等多相納米結(jié)構(gòu)。這種納米結(jié)構(gòu)一方面提高了增強(qiáng)相自身硬度和強(qiáng)度，另一方面通過高密度界面與 Cu 基體協(xié)同作用，增強(qiáng)了載荷傳遞和裂紋阻滯能力。

圖3d、e 的拉伸結(jié)果表明，UHSQ 樣品在室溫和 923 K 高溫下均顯著優(yōu)于普通 UHS 和純 Cu。對(duì)于 Cu–50 vol% Fe₅₅Cr₂₅Mo₁₆B₂C₂ 復(fù)合材料，UHSQ 樣品室溫屈服強(qiáng)度達(dá)到約 685 MPa；在 923 K 高溫下仍保持約 290 MPa 的屈服強(qiáng)度。圖3f–h 的斷口和微觀組織結(jié)果進(jìn)一步說明，UHSQ 樣品具有更強(qiáng)界面結(jié)合和更均勻的增強(qiáng)相分布。

圖3. 多尺度互鎖組織與力學(xué)性能提升。

TEM/EDS 表明 Cu 基體與 FeCrMoBC 多相納米晶之間形成清晰、緊密的界面；

UHSQ 樣品在室溫和 923 K 高溫下均表現(xiàn)出顯著高于普通 UHS 和純 Cu 的力學(xué)強(qiáng)度。

硬度、電導(dǎo)率和耐磨性：不只是強(qiáng)度提升

該材料的性能優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在拉伸強(qiáng)度上，也體現(xiàn)在硬度和耐磨行為中。圖4a 顯示，UHSQ 復(fù)合材料沿樣品表面向內(nèi)部的顯微硬度保持在較高水平，明顯高于普通 UHS 復(fù)合材料和純 Cu。圖4b 的局部硬度掃描進(jìn)一步表明，F(xiàn)e 基多相納米晶增強(qiáng)相硬度最高，Cu 相硬度較低，而界面區(qū)域處于二者之間，說明界面能夠有效承擔(dān)載荷傳遞和約束軟相變形的功能。

圖4c 將本工作材料與文獻(xiàn)中 Cu 合金、陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料和金屬玻璃等體系進(jìn)行對(duì)比。UHSQ 復(fù)合材料在較高硬度和一定電導(dǎo)率之間取得了較好的平衡，顯示出區(qū)別于傳統(tǒng) Cu 合金和常規(guī)硬質(zhì)復(fù)合材料的性能組合。圖4d–f 的耐磨結(jié)果顯示，在相同測(cè)試條件下，UHSQ 樣品的磨損失重速率顯著降低，相比純 Cu 獲得約 40 倍耐磨性提升；磨損后 SEM 圖像顯示，多相納米晶增強(qiáng)相在磨損過程中仍能發(fā)揮承載和抗剝落作用。

圖4. 硬度、電導(dǎo)率與耐磨性能。

UHSQ 復(fù)合材料在硬度-電導(dǎo)率性能空間中表現(xiàn)出區(qū)別于傳統(tǒng) Cu 合金、金屬玻璃和陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料的綜合優(yōu)勢(shì)；

耐磨測(cè)試顯示其耐磨性相較純 Cu 獲得約 40 倍提升。

原位納米壓痕與 SEM 表征：局部力學(xué)機(jī)制的直接證據(jù)

除主文圖像外，補(bǔ)充圖中的原位納米壓痕結(jié)果進(jìn)一步支撐了界面強(qiáng)化機(jī)制。研究中，壓痕陣列被精確布置在 Cu 基體、FeCrMo 多相納米晶增強(qiáng)相以及二者界面區(qū)域，并通過 SEM 圖像觀察壓痕形貌與空間分布。硬度結(jié)果顯示，軟 Cu 相、界面區(qū)域和硬質(zhì)增強(qiáng)相之間存在清晰的局部硬度梯度。

這一結(jié)果說明，UHSQ 復(fù)合材料的強(qiáng)化并非簡(jiǎn)單服從線性混合法則，而是來自“軟 Cu 相—強(qiáng)界面—硬質(zhì)多相納米晶"的協(xié)同承載：Cu 相提供塑性協(xié)調(diào)，F(xiàn)e 基多相納米晶提供高硬度和高強(qiáng)度，界面區(qū)域則承擔(dān)載荷傳遞、抑制脫粘和約束軟相變形的關(guān)鍵作用。

補(bǔ)充圖. SEM 內(nèi)原位納米壓痕表征。

壓痕陣列橫跨 Cu 基體、FeCrMo 多相納米晶增強(qiáng)相和界面區(qū)域，

用于定量識(shí)別不同區(qū)域的局部硬度差異與載荷傳遞特征。

在這一部分，可以簡(jiǎn)要體現(xiàn)國(guó)儀量子掃描電鏡和原位力學(xué)表征平臺(tái)對(duì)研究的支撐作用：掃描電鏡圖像為壓痕陣列定位、界面形貌識(shí)別和局部變形行為分析提供了直觀證據(jù)；原位納米力學(xué)測(cè)試則幫助建立微觀結(jié)構(gòu)與局部力學(xué)響應(yīng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該表述應(yīng)服務(wù)于論文機(jī)制解釋，不宜弱化材料工作本身的主線。

工作意義：突破不互溶金屬體系的制造邊界

這項(xiàng)工作證明，通過 UHSQ 超快燒結(jié)與瞬時(shí)淬火耦合，可以在正混合焓、不互溶金屬體系中實(shí)現(xiàn)高含量增強(qiáng)相、均勻相分布和強(qiáng)界面結(jié)合的協(xié)同調(diào)控。傳統(tǒng)冶金中難以避免的相分離問題，在 UHSQ 中被轉(zhuǎn)化為一個(gè)可以通過高溫暴露時(shí)間和冷卻速率調(diào)控的非平衡動(dòng)力學(xué)問題。

從材料設(shè)計(jì)角度看，該策略將 Cu 基體的塑性和導(dǎo)電潛力、Fe 基金屬玻璃增強(qiáng)相的高硬度與受控晶化能力，以及快速熱歷史誘導(dǎo)的強(qiáng)界面結(jié)合整合到同一材料體系中。所得 Cu–Fe 基復(fù)合材料同時(shí)表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和一定電導(dǎo)率，為特殊服役導(dǎo)電耐磨部件、高溫承載結(jié)構(gòu)和新型金屬基復(fù)合材料制造提供了新的思路。

總結(jié)

本研究以 Cu–Fe 基正混合焓復(fù)合材料為對(duì)象，提出 UHSQ 超快燒結(jié)與瞬時(shí)淬火策略，實(shí)現(xiàn)了從粉末前驅(qū)體到互鎖型復(fù)合材料的快速構(gòu)筑。該方法有效抑制了傳統(tǒng)正混合焓體系中的元素偏析、宏觀相分離和界面弱結(jié)合問題，形成了 Cu 基體與 Fe 基多相納米晶增強(qiáng)相之間的多尺度互鎖結(jié)構(gòu)，并帶來強(qiáng)度、硬度和耐磨性的系統(tǒng)提升。

掃描電鏡、原位納米壓痕及多尺度顯微表征為揭示該復(fù)合材料的界面結(jié)合狀態(tài)、局部力學(xué)響應(yīng)和強(qiáng)化機(jī)制提供了重要依據(jù)。相關(guān)結(jié)果表明，UHSQ 復(fù)合材料的高性能來自軟 Cu 相、強(qiáng)界面和硬質(zhì) FeCrMoBC 多相納米晶之間的協(xié)同承載，而不是單一相或單一強(qiáng)化機(jī)制的貢獻(xiàn)。

國(guó)儀量子電子顯微鏡可用于材料微觀形貌觀察、壓痕形貌分析、界面結(jié)構(gòu)識(shí)別和元素分布輔助表征，為金屬、陶瓷、復(fù)合材料及功能材料的微結(jié)構(gòu)研究提供實(shí)驗(yàn)支撐。在本類研究中，掃描電鏡及其與原位力學(xué)測(cè)試的結(jié)合，可幫助研究者從局部尺度理解界面結(jié)合、相分布與力學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)系。