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——《Nature Communications》：超快烧结与瞬时淬火突破不互溶金属体系组织调控瓶颈

 

随着航空航天、能源装备、极端服役构件和高耐磨导电部件等应用场景不断升级，结构材料不仅需要高强度、高硬度和高耐磨性，还需要在复杂环境中保持稳定的界面结合和抗失效能力。传统合金设计长期主要围绕负混合焓体系展开，因为这类元素更容易实现均匀混合和固溶强化。相比之下，Cu–Fe 等正混合焓金属体系由于液态不互溶、高温元素偏析和相分离动力学难以控制，长期面临组织粗化、界面弱结合和性能不足等瓶颈。

 

针对上述难题，中国科学技术大学王成威教授团队、南京理工大学兰司教授、香港城市大学（东莞）吴桢舵团队等提出了一种超高温快速烧结与瞬时淬火耦合的 UHSQ（Ultrafast High-temperature Sintering and Quenching）策略，并以 Cu–50 vol% Fe₅₅Cr₂₅Mo₁₆B₂C₂ 正混合焓复合材料为模型体系，构筑出具有多尺度互锁界面的 Cu–Fe 基复合材料。相关成果以 “Breaking immiscibility barriers: ultrafast sintering of interlocked Cu-Fe-based composites” 为题发表在《Nature Communications》。

 

 

正混合焓体系的核心难题：不是简单混合，而是相分离失控

 

正混合焓金属体系的关键问题在于，组元之间在热力学上缺乏稳定混合驱动力。在高温液相或半液相过程中，Cu 与 Fe 基组元容易发生液相分离、元素偏析和界面失稳。传统熔炼、炉烧结或长时间热处理往往给元素扩散和相分离留下充足时间，最终导致 Cu 富集区与 Fe 富集区粗大分离，界面连续性差，力学性能难以充分发挥。

 

因此，这项工作的科学出发点不是单纯提高烧结温度，也不是简单引入硬质颗粒增强，而是将正混合焓体系的制备问题重新定义为 “非平衡动力学捕获” 问题：在相分离和界面松弛充分发展之前，通过极短高温窗口和快速冷却路径锁定目标组织。

 

UHSQ：快速升温、短时烧结和瞬时淬火耦合

 

研究团队在 UHS 快速焦耳加热的基础上进一步引入瞬时淬火过程，形成 UHSQ 工艺。样品在碳基加热体之间快速升温并完成短时高温烧结，随后迅速进入低温高导热介质中淬火。该工艺同时具备快速热输入和快速热抽离能力，使材料经历快速升温、短时高温平台和快速冷却三个连续阶段。

 

图1展示了 UHSQ 的核心工艺逻辑与界面结构设计。快速烧结提供足够的瞬时热驱动力，使粉末前驱体实现致密化和相间接触；瞬时淬火则将高温状态下形成的界面结构迅速保留下来，抑制长时间热暴露引发的粗化和偏析。更重要的是，Cu 相与 FeCrMo 增强相之间形成了类似 “铆钉式” 的界面互锁结构，使原本弱结合的不互溶界面转化为具有强载荷传递能力的物理结合界面。

 

图1. UHSQ 工艺与界面互锁机制。

UHSQ 通过快速焦耳加热与瞬时淬火，在极短时间窗口内完成 Cu–Fe 基正混合焓复合材料的烧结与组织锁定；

快速热历史诱导 Cu 相与 FeCrMoBC 增强相形成紧密贴合的“铆钉式”界面互锁结构。

 

前驱体设计：用高能球磨建立两相初始接触

 

为了让不互溶两相在后续超快烧结过程中形成有效界面，前驱体粉末的空间接触状态至关重要。研究团队通过高能球磨处理，使延展性较好的 Cu 颗粒逐步覆盖 Fe₅₅Cr₂₅Mo₁₆B₂C₂ 金属玻璃颗粒表面，从而在烧结前建立更紧密的两相接触。

 

图2a–c 显示，未经充分球磨的 Fe 基金属玻璃颗粒表面较为光滑，不利于界面附着；随着球磨时间延长，Cu 颗粒逐渐包覆在金属玻璃颗粒表面，形成更有利于后续界面连接的复合前驱体。图2d 给出了金属玻璃颗粒尺寸分布，说明增强相颗粒仍保持微米级特征尺寸，为后续形成微米尺度互穿骨架和纳米尺度界面结构提供了基础。

 

图2e 的 XRD 结果表明，不同烧结和淬火路径会显著影响 Fe 基金属玻璃增强相的晶化行为。UHSQ 中的快速淬火可以调节增强相从非晶态向多相纳米晶结构的转变路径。图2f 则直接对比了炉烧结、普通 UHS 和 UHSQ 的显微组织：炉烧结出现明显 Cu 富集区和 Fe 富集区分离；普通 UHS 仍存在弱界面；UHSQ 则获得更加均匀的 Cu–Fe 基互穿结构和更紧密的相间结合。

 

图2. 前驱体粉末设计、相结构演化与不同烧结方式的组织对比。

高能球磨使 Cu 颗粒逐步包覆 Fe 基金属玻璃颗粒，提高两相初始接触；

相比炉烧结和普通 UHS，UHSQ 显著抑制宏观偏析和弱界面，获得更加均匀的互穿复合组织。

 

多尺度互锁界面：从组织均匀性到载荷传递

 

UHSQ 的关键结构成果是形成多尺度互锁界面。图3a、b 的 TEM/EDS 结果显示，Cu 基体与 FeCrMo 增强相之间形成清晰且紧密贴合的界面，局部区域呈现明显的互锁形貌。该界面不是传统颗粒增强复合材料中的简单相界，而是由快速烧结和快速淬火共同塑造的几何嵌合结构。

 

图3c 进一步揭示了 Fe 基增强相内部的多相纳米晶结构。快速淬火诱导金属玻璃发生受控晶化，形成 Fe–Cr 基体、Mo 富集纳米晶和 Fe 富集区域等多相纳米结构。这种纳米结构一方面提高了增强相自身硬度和强度，另一方面通过高密度界面与 Cu 基体协同作用，增强了载荷传递和裂纹阻滞能力。

 

图3d、e 的拉伸结果表明，UHSQ 样品在室温和 923 K 高温下均显著优于普通 UHS 和纯 Cu。对于 Cu–50 vol% Fe₅₅Cr₂₅Mo₁₆B₂C₂ 复合材料，UHSQ 样品室温屈服强度达到约 685 MPa；在 923 K 高温下仍保持约 290 MPa 的屈服强度。图3f–h 的断口和微观组织结果进一步说明，UHSQ 样品具有更强界面结合和更均匀的增强相分布。

 

图3. 多尺度互锁组织与力学性能提升。

TEM/EDS 表明 Cu 基体与 FeCrMoBC 多相纳米晶之间形成清晰、紧密的界面；

UHSQ 样品在室温和 923 K 高温下均表现出显著高于普通 UHS 和纯 Cu 的力学强度。

 

硬度、电导率和耐磨性：不只是强度提升

 

该材料的性能优势不仅体现在拉伸强度上，也体现在硬度和耐磨行为中。图4a 显示，UHSQ 复合材料沿样品表面向内部的显微硬度保持在较高水平，明显高于普通 UHS 复合材料和纯 Cu。图4b 的局部硬度扫描进一步表明，Fe 基多相纳米晶增强相硬度最高，Cu 相硬度较低，而界面区域处于二者之间，说明界面能够有效承担载荷传递和约束软相变形的功能。

 

图4c 将本工作材料与文献中 Cu 合金、陶瓷-金属复合材料和金属玻璃等体系进行对比。UHSQ 复合材料在较高硬度和一定电导率之间取得了较好的平衡，显示出区别于传统 Cu 合金和常规硬质复合材料的性能组合。图4d–f 的耐磨结果显示，在相同测试条件下，UHSQ 样品的磨损失重速率显著降低，相比纯 Cu 获得约 40 倍耐磨性提升；磨损后 SEM 图像显示，多相纳米晶增强相在磨损过程中仍能发挥承载和抗剥落作用。

 

图4. 硬度、电导率与耐磨性能。

UHSQ 复合材料在硬度-电导率性能空间中表现出区别于传统 Cu 合金、金属玻璃和陶瓷-金属复合材料的综合优势；

耐磨测试显示其耐磨性相较纯 Cu 获得约 40 倍提升。

 

原位纳米压痕与 SEM 表征：局部力学机制的直接证据

 

除主文图像外，补充图中的原位纳米压痕结果进一步支撑了界面强化机制。研究中，压痕阵列被精确布置在 Cu 基体、FeCrMo 多相纳米晶增强相以及二者界面区域，并通过 SEM 图像观察压痕形貌与空间分布。硬度结果显示，软 Cu 相、界面区域和硬质增强相之间存在清晰的局部硬度梯度。

 

这一结果说明，UHSQ 复合材料的强化并非简单服从线性混合法则，而是来自“软 Cu 相—强界面—硬质多相纳米晶”的协同承载：Cu 相提供塑性协调，Fe 基多相纳米晶提供高硬度和高强度，界面区域则承担载荷传递、抑制脱粘和约束软相变形的关键作用。

 

补充图. SEM 内原位纳米压痕表征。

压痕阵列横跨 Cu 基体、FeCrMo 多相纳米晶增强相和界面区域，

用于定量识别不同区域的局部硬度差异与载荷传递特征。

 

在这一部分，可以简要体现国仪量子扫描电镜和原位力学表征平台对研究的支撑作用：扫描电镜图像为压痕阵列定位、界面形貌识别和局部变形行为分析提供了直观证据；原位纳米力学测试则帮助建立微观结构与局部力学响应之间的对应关系。该表述应服务于论文机制解释，不宜弱化材料工作本身的主线。

 

工作意义：突破不互溶金属体系的制造边界

 

这项工作证明，通过 UHSQ 超快烧结与瞬时淬火耦合，可以在正混合焓、不互溶金属体系中实现高含量增强相、均匀相分布和强界面结合的协同调控。传统冶金中难以避免的相分离问题，在 UHSQ 中被转化为一个可以通过高温暴露时间和冷却速率调控的非平衡动力学问题。

 

从材料设计角度看，该策略将 Cu 基体的塑性和导电潜力、Fe 基金属玻璃增强相的高硬度与受控晶化能力，以及快速热历史诱导的强界面结合整合到同一材料体系中。所得 Cu–Fe 基复合材料同时表现出高强度、高硬度、高耐磨性和一定电导率，为极端服役导电耐磨部件、高温承载结构和新型金属基复合材料制造提供了新的思路。

 

总结

 

本研究以 Cu–Fe 基正混合焓复合材料为对象，提出 UHSQ 超快烧结与瞬时淬火策略，实现了从粉末前驱体到互锁型复合材料的快速构筑。该方法有效抑制了传统正混合焓体系中的元素偏析、宏观相分离和界面弱结合问题，形成了 Cu 基体与 Fe 基多相纳米晶增强相之间的多尺度互锁结构，并带来强度、硬度和耐磨性的系统提升。

 

扫描电镜、原位纳米压痕及多尺度显微表征为揭示该复合材料的界面结合状态、局部力学响应和强化机制提供了重要依据。相关结果表明，UHSQ 复合材料的高性能来自软 Cu 相、强界面和硬质 FeCrMoBC 多相纳米晶之间的协同承载，而不是单一相或单一强化机制的贡献。

 

国仪量子电子显微镜可用于材料微观形貌观察、压痕形貌分析、界面结构识别和元素分布辅助表征，为金属、陶瓷、复合材料及功能材料的微结构研究提供实验支撑。在本类研究中，扫描电镜及其与原位力学测试的结合，可帮助研究者从局部尺度理解界面结合、相分布与力学响应之间的关系。