不互溶双金属X-Cu复合材料（X表示W、Mo、Ta、Nb等难熔金属）由于具备优秀能力的硬度、强度、耐磨损、抗烧蚀以及抗热震性能，在航空航天和电力工业等高温应用领域发挥着无法替代的及其重要的作用。然而，难熔金属与Cu的高混合焓导致组元间具有很强的相分离驱动力，经高温烧结后易形成两相分离的粗大组织，对两相尺寸及其内部显微结构难以进行相对有效控制。在力学行为方面，位错在两相内部运动缺少可阻碍位错运动的亚结构，而位错与结合薄弱的相界交互作用时易被相界捕获，并沿相界面发生长程滑移，导致应力松弛和材料的软化。上述因素强烈制约着不互溶金属复合材料获得高强度。在实际服役过程中，不互溶双金属复合材料制成的零部件常处于摩擦磨损工况，复合材料近表层区域的组织架构发生明显转变，甚至发生严重氧化，在加工硬化与氧化双重作用下材料表面由于脆性增加而加速磨损。综上，亟需攻克具有稳定微结构、抗变形和耐磨损的不互溶金属复合材料开发的难题。

  W-Cu复合材料是不互溶双金属复合材料的典型代表，本文以W-Cu复合材料为原型，通过在不互溶双金属复合材料中引入适当的媒介元素调控组元间的相互作用，从而促进Cu在W中的非平衡固溶，并大大降低了W与Cu间相分离驱动力，在烧结过程中实现了Cu与媒介组元从W基体中缓慢的异步相分离，从而获得了具有多级纳米结构(HN)的W-Cu复合材料。该复合材料的显微结构包含三个不同层级：一级结构由微米级W相和Cu相组成，与传统的细晶W-Cu复合材料类似；W相内部的第二级结构由纳米尺度的W和Cu相构成；第三级结构为分散在W纳米晶基体的含媒介元素的纳米颗粒。

  研究表明，与本征W/Cu界面相比，HN W-Cu复合材料由媒介元素调控的W/Cu界面以及共格的W/含媒介元素纳米颗粒界面具有更低的能量和更强的结合，这种界面调制作用依赖于媒介元素与Cu、W原子间强烈的电子转移和耦合作用。由于具有大量稳定的异质界面以及三维空间曲折界面的“自锁”构型，HN W-Cu复合材料表现出优异的抵抗塑性变形力，与已报道的烧结制备的复合材料相比具有明显提升的硬度和强度。即使经受1000 ℃高温，复合材料依然可保持高强度，体现出多级纳米结构优异的热稳定性。

  在往复滑动载荷磨损作用下，具有高化学活性的媒介元素可优先与氧反应而阻碍基体组元的进一步氧化，由此提高了复合材料的抗氧化能力，保留了更高比例的塑性组元，HN W-Cu复合材料表现出与传统W-Cu复合材料不同的表面组织、成分转变行为以及磨损机制，磨损表面具有更加优异的强韧性匹配，有效缓解了磨损表面严重的分层脱落现象，磨损速率与未添加媒介组元的二元W-Cu复合材料相比降低了60%。

  图1. 未添加媒介组元的纳米晶(NC)和添加媒介组元获得的HN W-Cu复合材料的显微形貌特征：(a) NC W-Cu复合材料的低倍显微形貌；(b) NC W边缘的HAADF-STEM图像；(c) (b)所示区域中W元素的分布；(d) HN W-Cu复合材料的低倍显微形貌；(e) HN W-Cu复合材料中W-Cu纳米结构边缘的HAADF-STEM图像；(f) HN W-Cu复合材料中W晶粒内部纳米颗粒的尺寸分布；(g-i) (e)所示区域的元素分布。

  图2. 复合材料中元素分布的表征与分析：(a) W-Cu纳米结构的高倍HAADF-STEM图像；(b, c) 对应于(a)中线路径的元素分布；(d) 含媒介元素的纳米颗粒及其与W基体的共格界面关系；(e) 包含媒介元素纳米颗粒的W晶粒的APT重构；(f) 纳米颗粒与基体界面区域的浓度变化；(g, h) W-Cu纳米结构中Cu相的APT重构；(i) HN W-Cu复合材料多级纳米结构的示意图。

  图3. 各种W-Cu复合材料的力学性能比较：(a) 传统细晶W-Cu复合材料与HN W-Cu复合材料经不同热处理后的压缩应力-应变曲线；(b) 各种W-Cu复合材料的硬度比较，包括通过显微组织架构细化、Cu分布均匀化、添加合金元素和添加强化相的复合材料。

  图4. 压痕下复合材料的变形组织形貌和微观结构：(a) HN W-Cu复合材料的变形形貌；(b) HN W-Cu复合材料Cu相中的变形结构；(c) NC W-Cu复合材料的变形形貌；(d) NC W-Cu复合材料严重变形的W相中交错分布的刃位错；(e) 同时含W-Cu纳米结构和NC W的复合材料的变形形貌。

  图5. 往复滑动载荷作用下NC W-Cu复合材料的微观结构特征：(a) 往复载荷诱导的表面转化层（MML）截面的低倍TEM图像，插图为随距离表面深度的增加氧浓度的变化；(b) 分散在MML中的W纳米颗粒；(c) MML中W纳米颗粒的尺寸分布统计；(d) MML的衍射图和晶面标定；(e) 变形W相中的带状晶粒组织以及由晶界处产生的位错源，插图为统计的带状晶粒取向差；(f-i) 对应于(e)中方框区域的小角度晶界的高分辨图像。

  图6. 往复滑动载荷作用下HN W-Cu复合材料表面转变层的微观结构和成分表征：(a) 磨损表面横截面的低倍形貌，插图为MML区域的SAED；(b) MML的高倍微观结构；(c) 对应于(b)中黄框区域的元素分布；(d) MML中纳米颗粒的长轴和短轴的尺寸分布统计；(e, f) 磨损表面W和媒介元素的XPS。

  图8. 不同界面的原子模型：(a) W/Cu界面(IF) 1，图中显示了Cu晶体结构中媒介原子距离相界不同的取代位置；(b) W/Cu IF 2；(c) 共格W/bcc含媒介元素颗粒的IF。

  图9. 不同界面的能量和分离功计算，包括W/Cu IF 1、W/Cu IF 2和W/含媒介组元颗粒 IF，以及媒介原子处于不同取代位置的W/Cu IF 1界面。

  图10. 不同界面的电子结构分析：(a) 不同界面处的电子转移；(b) 电子局域函数的分布；(c-e) W/Cu IF 1、媒介原子调控的W/Cu IF 1以及W/含媒介元素颗粒 IF三类界面处Cu、W和媒介原子的LDOS。

  综上所述，本工作通过引入适当的媒介组元调控难熔金属与Cu之间的相互作用，促进了Cu在W中的非平衡固溶，降低了两者发生相分离的驱动力，利用Cu和媒介组元从W基体中依次发生异步相分离的创新策略，成功获得了具有多级纳米结构的不互溶金属复合材料。结合球差电镜、三维原子探针等实验表征与第一性原理计算，系统揭示了特殊纳米结构的形成机制。研究了多种载荷作用下新型结构W-Cu复合材料的变形行为，阐明了其高强高耐磨的内在机理。该研究工作为不互溶金属复合材料的结构设计、界面调控、力学性能提升和服役寿命改善提供了新的思路和解决方案。

  侯超，北京工业大学材料与制造学部副研究员，主要是做高稳定纳米结构金属基复合材料方面的研究，包括难熔/有色金属复合材料和难熔高熵合金等多元多相纳米材料的结构稳定性及高性能机理。作为负责人承担了国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及中国航天科工集团委托的科技攻关项目，并作为主要骨干参与了国家自然科学基金重点项目和重点研发计划专项等项目。在Nat. Commun.、Acta Mater.、Compos. Part B以及NPG Asia Mater.等期刊上发表SCI论文60余篇，授权/公开国家发明专利20余件。

  北京工业大学宋晓艳教授研究团队多年来致力于具有稳定高性能的合金纳米材料设计制备与组织架构调控，研究方向包括硬质合金、金属基复合材料、稀土合金和计算材料学，形成了“合金纳米材料稳定性基础研究”与“工程应用”紧密结合的发展主线和学术特色。团队主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点、德国研究联合会基金(DFG)、北京市自然科学基金重点等项目和多项企业委托攻关项目，成果获得省部级科技进步奖一等奖1项、自然科学奖二等奖3项、技术发明奖二等奖1项；授权和公开国际、国内发明专利100余项，于Sci. Adv.、Adv. Mater.、Acta Mater.等期刊发表SCI论文350余篇，在国际国内学术会议上作大会/主旨/邀请报告70余次。