【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近期，重慶研究院多材料增材制造團(tuán)隊(duì)在異質(zhì)金屬界面潤(rùn)濕行為研究方面取得系列進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)以Sn-Fe體系為模型，深入揭示了溫度調(diào)控下液態(tài)金屬在固態(tài)金屬表面與晶界處的潤(rùn)濕模式轉(zhuǎn)變規(guī)律，提出了統(tǒng)一的“釘扎-脫釘”動(dòng)力學(xué)機(jī)制。相關(guān)成果發(fā)表于金屬材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Acta Materialia》【Acta Materialia 320 (2026): 122714】。
 

　　固-液金屬界面問(wèn)題是增材制造、高溫浸滲等多材料構(gòu)件制備的關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題。經(jīng)典熱力學(xué)能量平衡理論難以解釋固-液界面與晶界處的非平衡潤(rùn)濕過(guò)程，尤其固-液界面金屬間化合物的生成與溶解如何動(dòng)態(tài)影響動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕過(guò)程，此前仍缺乏系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)解釋。
 

　　該研究以Sn-Fe體系為模型，結(jié)合原位共聚焦激光掃描顯微鏡觀(guān)測(cè)、淬火微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析、相場(chǎng)模擬與熱力學(xué)計(jì)算，系統(tǒng)揭示了650-950°C范圍內(nèi)Sn-Fe體系固-液界面及晶界處的潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)：在650°C，界面處快速形成的金屬間化合物層充當(dāng)擴(kuò)散屏障，釘扎潤(rùn)濕前沿，導(dǎo)致固-液界面潤(rùn)濕(FSW)緩慢，并阻止完全晶界潤(rùn)濕(GBW)轉(zhuǎn)變；在950°C，金屬間化合物和固溶體形成被抑制，潤(rùn)濕前沿脫釘，液態(tài)Sn實(shí)現(xiàn)快速固-液潤(rùn)濕與完全晶界潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變，同時(shí)晶界處Sn偏聚誘發(fā)固液界面處晶粒異常長(zhǎng)大與晶間裂紋。研究提出固-液界面與晶界潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變的“釘扎-脫釘”動(dòng)力學(xué)新機(jī)制，指出基體元素在液相中的溶解度(CL)和凝固成分范圍(CR)是控制潤(rùn)濕動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵熱力學(xué)參數(shù)，并發(fā)現(xiàn)具有快速固-液界面潤(rùn)濕和完全晶界潤(rùn)濕特征的體系中CL與 CR存在普適線(xiàn)性關(guān)系。相場(chǎng)模擬進(jìn)一步從機(jī)理上揭示了晶界處液態(tài)Sn偏聚如何驅(qū)動(dòng)等軸晶向柱狀晶轉(zhuǎn)變并誘發(fā)液相金屬脆化(圖1)。該研究突破了傳統(tǒng)熱力學(xué)能量平衡理論的局限，首次提出異質(zhì)金屬固-液界面與晶界潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變的“釘扎-脫釘”動(dòng)力學(xué)新機(jī)制，為優(yōu)化激光粉末床熔融等多材料構(gòu)件制備工藝提供了理論依據(jù)。
 

　　該項(xiàng)研究是團(tuán)隊(duì)在異質(zhì)金屬表界面理論研究方面系列系統(tǒng)性原創(chuàng)成果之一(圖2)。團(tuán)隊(duì)還取得以下進(jìn)展：率先提出異質(zhì)金屬體系非連續(xù)鋪展“步進(jìn)流動(dòng)”新機(jī)制【Acta Materialia 282 (2025): 120519】，揭示了高溫金屬熔體涂層的氧化/去氧化的新機(jī)理【Acta Materialia 266 (2024): 119707】與分子動(dòng)力學(xué)新機(jī)制【Acta Materialia 221 (2021): 117430】，以及表面與晶界潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)新規(guī)律【Acta Materialia 320 (2026): 122714】；系統(tǒng)研究了異質(zhì)金屬界面反應(yīng)【Applied Surface Science 571 (2022): 151272】及熔體表面氧化【Surfaces and Interfaces 54 (2024): 105287】對(duì)潤(rùn)濕性能的獨(dú)立影響及其耦合作用機(jī)制【Surfaces and Interfaces 60 (2025): 106026】；進(jìn)一步闡明了熔體內(nèi)部Marangoni對(duì)流對(duì)潤(rùn)濕過(guò)程的調(diào)控作用【Chemical Engineering Journal 519 (2025): 165377】。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)提出了涵蓋界面反應(yīng)、表面擴(kuò)散與流體遷移的協(xié)同動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)金屬界面潤(rùn)濕全過(guò)程的定量刻畫(huà)【Nature Communications 17.1 (2025): 313】。上述理論成果相互支撐、層層遞進(jìn)，構(gòu)成了從異質(zhì)金屬微觀(guān)界面行為到宏觀(guān)潤(rùn)濕動(dòng)力學(xué)的研究鏈條。
 

　　國(guó)家級(jí)高層次人才計(jì)劃專(zhuān)家、重慶研究院研究員楊守峰擔(dān)任該論文的共同通訊作者，助理研究員孫友慶博士為論文的第一作者。研究得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目(B類(lèi))、重慶市重大科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(C類(lèi))、中國(guó)博士后面上基金項(xiàng)目、重慶市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、重慶市留學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃等資助。
 

　　引用：《Acta Materialia》——多材料增材制造團(tuán)隊(duì)在異質(zhì)金屬界面潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變機(jī)制研究方面取得進(jìn)展----中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院