近年來各國在海洋領域的競爭逐漸進入白熱化，據不完全統計，海底蘊藏的油氣資源儲量約占全球油氣儲量的1/3，要想在海洋領域的競爭中脫穎而出并順利開采這些豐富的資源，就需要對配套的材料體系提出極高的要求。海水是夾雜著眾多復雜因素的腐蝕介質，材料首先要面臨的考驗便是海水環境下的腐蝕挑戰。在海洋艦船的推進系統以及潛艇的油氣開采裝備中，經常承受高負荷、強摩擦工況，在這種情況下，材料所面對的腐蝕-摩擦的耦合損傷機理要遠大于單因素疊加所帶來的效果。

錫青銅/鋼雙金屬復合材料很好的兼顧了兩者的優勢，同時兼具良好的耐腐蝕性與優異的強度與韌性，但腐蝕對界面結合強度的削弱會使摩擦導致的裂紋快速擴展，因此腐蝕與摩擦的耦合損傷問題，是該材料體系在這些領域應用的一大關鍵痛點。

近日，由江蘇科技大學、東南大學和海軍潛艇學院的研究團隊在這一關鍵問題上取得了新的重要突破，成功在維持錫青銅與鋼基體良好結合的基礎上，實現了在強度、硬度和耐磨性方面的系統性提升，并深入揭示了其在腐蝕-摩擦耦合損傷場景下的性能演變機制。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41529-025-00655-x

【核心內容】

該研究在低碳鋼表面鍍了一層Al膜，從而防止錫青銅中的Sn元素向鋼的Fe晶界偏析，通過冷軋工藝細化晶粒尺寸并引入大量孿晶，進一步增強了基體的穩定性和應變硬化能力，通過多種強化機制的協同作用，材料的多項力學性能得到了同步提升。

【研究方法】

該研究預先在低碳鋼的表面預鍍了2μm的Al作為錫青銅與鋼材之間的結合區域，隨后以氬氣作為保護氣體通過DED制備Cu-4.2Sn錫青銅層，并通過多尺度的表征手段系統對比了沉積態與軋制態合金在顯微組織、力學性能、摩擦磨損與腐蝕-摩擦協同作用方面的差異，實驗過程中所采用的腐蝕介質為模擬海水。

樣品制備流程示意圖

【研究成果】

① Al涂層消除界面裂紋，提升界面結合

錫青銅直接沉積在鋼基上會形成穿透裂紋，而在鋼基表面預鍍 2μm Al層后，形成約6–7μm的過渡層，裂紋完全消失。第一性原理計算進一步表明，Sn在Fe晶界中的偏析會顯著削弱結合強度，而Al的影響較小，因此Al涂層能夠有效抑制裂紋萌生與擴展。

錫青銅/鋼的截面形貌:（a-f）原始；（g-l）鍍Al后

Cu與其他元素的協同強化作用及晶界電子結構分析

② 冷軋細化晶粒，構建孿晶結構

沉積態錫青銅平均晶粒尺寸約47.6μm，經軋制后降至15.2μm，并生成大量孿晶。孿晶界面能捕獲和湮滅位錯，降低位錯密度，從而改善合金穩定性和強化效果。EBSD結果顯示軋制后極點密度增至10.33，織構增強，有利于提升加工硬化能力。

沉積工藝與軋制工藝下合金的微觀結構表征與對比:（a-c，g，h）沉積合金；（d-f，i，j）軋制合金

沉積工藝與軋制工藝的晶體學特征表征與對比：（a-e）沉積合金；（f-j）軋制合金

③ 強度與硬度大幅提升

軋制后硬度提升78%，屈服強度提升51%，抗拉強度提升30%，斷口形貌由韌窩為主轉為準解理面，強化機制包括細晶強化+孿晶強化+彌散強化+織構強化的協同作用。

力學性能測試結果

合金的斷口形貌：（a，b）沉積合金；（c，d）軋制合金

④ 耐磨與抗腐蝕-摩擦耦合性能提升

摩擦測試表明，軋制態合金摩擦系數下降約30%，質量損失降低約25%，磨損機制由粘著磨損轉變為溝槽磨損，裂紋擴展受抑制。電化學與磨損聯合分析顯示，腐蝕-摩擦耦合導致的額外損傷占總損傷約13%，摩擦促進腐蝕是主導機制（約11%）。軋制態樣品在摩擦環境下表現出更優異的耐蝕-耐磨綜合性能。

摩擦試驗結果

沉積態（上）vs軋制態（下）磨損表面形貌

腐蝕-磨損耦合損傷比例對比

【總結與展望】

研究提出的“Al涂層+冷軋調控”策略，有效解決了錫青銅/鋼復合材料中的界面裂紋問題，并通過晶粒細化與孿晶構建，實現了強度、硬度和耐磨性能的同步提升。這一成果為艦船推進軸承、潛艇關鍵部件及海洋開采裝備在復雜腐蝕-摩擦環境中的長期服役提供了新思路，也為銅基合金在高端裝備中的應用拓展奠定了堅實基礎。