Mg 合金是轻金属材料，低密度、高比强度但高温强度低、耐腐性差；Ti 合金耐腐、耐热、高强度但加工难、成本高，二者复合可满足航空航天 “轻量化、耐极端环境、高可靠性” 的核心需求，潜在应用于机身副框架、发动机支架等关键部件。
近日，北京理工大学刘长猛研究团队采用丝弧定向能量沉积（WA-DED）技术制备了以Cu 为中间层的 TA15/AZ91D Mg-Ti 双金属材料，系统探究了其界面微观结构与力学性能，发现最优工艺下 Ti-Cu 界面形成 179μm 厚的金属间化合物（IMC）层（主要为 TiCu、Ti₂Cu 相）、Cu-Mg 界面形成 44μm 厚的 IMC 层（主要为 TiAl、α-Mg、MgCu、MgAlCu 三元相），实现了良好的冶金结合；通过优化工艺降低了 Ti-Cu 间温度差与残余应力，消除了界面裂纹，热力学分析揭示 Cu 元素可促进 TiAl 相形成，且Cu 层厚度从 1357.90μm 增至 1851.96μm 时双金属强度提升 27MPa；最优工艺下该双金属抗拉强度达 106 MPa、弯曲强度达 138.9 MPa，断裂机制为脆性断裂，研究为 Mg-Ti 双金属的制造提供了重要的工艺参考。相关研究成果以“Bridging a Cu layer enables decent metallurgical bonding for wire-arc directed energy deposited Mg-Ti bimetals”为题发表在期刊《Aerospace Science and Technology》。论文通讯单位为北京理工大学机械与车辆学院和广州腐蚀科学与技术创新研究院，通讯作者为郭跃岭副教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ast.2026.111707
传统制备方法（冷金属过渡焊、激光熔钎焊等）均需过渡金属，但存在工艺复杂、效率低、界面结合强度不足的问题；WA-DED以电弧为热源、金属丝为原料，低成本、高效率，层状沉积与快速凝固特性适合异质双金属制备，Cu 因低成本、界面强化效果好适合作为中间层，但相关研究存在空白。Ti 在 Mg 中溶解度仅 0.00043 at.%，生成焓为正；熔点差异大（Mg：650℃，Ti：1668℃），Mg 沸点 1107℃低于 Ti 熔点；热导率、比热容、热膨胀系数等热物理性能不兼容，传统方法难以实现直接结合。Mg-Ti-Cu 三材料体系物理性能差异大，需不同工艺参数，界面温度难控易产生残余应力与裂纹；Cu 层厚度影响界面强度，而 WA-DED 电弧热源稳定性差难以精准调控；界面易形成脆性 IMC 层，且难以控制其含量与分布。
研究围绕航空航天领域对轻高强、耐极端环境结构材料的需求，针对 Mg-Ti 双金属直接复合的技术难点，采用 WA-DED 技术制备 Cu 中间层的 TA15/AZ91D Mg-Ti 双金属，系统研究其界面微观结构、力学性能及结合机制，为 Mg-Ti 双金属制造提供工艺参考。
Cu 层硬度随 Ti 原子浓度升高而提升，AMH 工艺 Cu 层硬度达 480 ± 6.4 HV，为 WA-DED 纯 Cu（约 48HV）的 10 倍，远高于 SLM、铸造、轧制退火制备的纯 Cu；Ti 侧硬度约 320 HV，Mg 侧约 65 HV。
不同工艺参数下Cu/Al界面附近的显微硬度：（a）AMH样品。（b）AML样品。（c）AMZ样品。（d）此文和发表的纯铜的显微硬度。
AMZ 工艺为最优，抗拉强度达 106 MPa（为 AZ91D 的 39%、纯 Cu 的 56%），总应变 0.22%；无 Cu 中间层试样界面结合强度极低，均出现脆性断裂。
镁钛双金属薄壁件的典型应力-应变曲线。（a）TA 15.（b）AZ 91 D.（c）WA-DED纯铜。（d）AMH试样。（e）AML试样。（f）AMZ试样。（g）此文和已发表的镁钛双金属的力学性能。
总结
研究采用WA-DED法成功制备了TA 15/AZ 91 D复合材料，分析了Ti/Cu界面、Cu层和Cu/Mg界面的显微组织，通过显微硬度、拉伸性能和弯曲性能测试，研究了复合材料的力学性能，主要结论如下：Cu-Mg 界面中，Ti 与 Al 优先生成 TiAl 相，Mg 与 Cu 优先生成 MgCu 相；Cu 元素可促进 TiAl 相形成，热输入增加会激活更多 Cu 原子，使 TiAl 相增多。 最佳工艺下，Ti/Cu 界面 IMC 层含 TiCu、Ti₂Cu 相，Cu/Mg 界面 IMC 层含 TiAl、α-Mg、MgCu、MgAlCu 三元相，Cu 层内有 Cu 枝晶、Cu₃Ti、Ti₅Si₃相。热输入升高会增加 Cu 层中 Ti 原子浓度，使 Cu 枝晶消失、Cu₃Ti/TiCu 相增多，显微硬度最高达 480±6.4HV；Cu 层厚度从 1357.90μm 增至 1851.96μm 时，双金属极限抗拉强度提升 27MPa。 最佳工艺下，双金属抗拉强度 106MPa、弯曲强度 138.9MPa；TA15、AZ91D、纯 Cu 的抗拉强度分别为 886.8±5.1MPa、271.5±4.3MPa、188.7±1.7MPa，双金属均为界面区脆性断裂。
作者团队简介
刘长猛，北京理工大学机械与车辆学院长聘教授、博导，研究方向为跨尺度智能增材制造：以增材制造（3D打印）颠覆传统结构为主导思想，以智能增材制造系统与装备为根基，构建跨尺度结构设计与增材制造理论与技术体系，服务航天、海洋等重大需求。主持了国家重点研发计划项目（首席科学家）、国家自然科学基金青年科学基金项目（B类）/面上/青年项目、国防基础科研重点项目、军委科技委基础加强课题/创新特区项目、装备发展部共用技术/基础研究/领域基金项目、中国科协青年托举人才工程、北京市自然科学基金面上项目等10 余项。共发表学术论文106 篇，其中以第一/通讯作者在Addit. Manuf.、Int. J. Plast.等期刊发表SCI 论文56 篇。Google学术引用4808次，单篇最高他引409 次，H 因子37，被Nature、Nature Reviews Materials 等期刊正面引用。近五年以第一发明人授权国家发明专利21 项、软件著作权1 项。成果应用于兵器、航天、航空、船舶等国防领域，大型点阵结构多弧并行增材制造率先拓展应用至海洋工程、建筑等经济主战场领域。
郭跃岭，北京理工大学机械与车辆学院长聘副教授、博士生导师，从事金属熔丝增材制造技术与智能装备研究及人才培养。主持国家自然科学基金（面上和青C）、国防基础科研计划项目以及企业委托等项目10余项，以第一和通讯作者发表学术论文70余篇，被Sci. Adv等期刊多次正面引用，申请国家发明专利23项（授权11项）。获得学会青年创新奖，入选全球前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。担任《Advanced Manufacturing》副编辑、《机械工程材料》编委、《Additive Manufacturing Frontiers》《空天技术》等期刊青年编委、以及《Nature Communications》等期刊审稿人。团队研究成果在航天、船舶、兵器等领域实现应用，并受到央视大型纪录片《瓣瓣同心-京津冀协同发展十年》、人民日报等权威媒体的报道。
作者信息来源：北京理工大学官网
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