最新消息
最新消息| 《JMPT》增材制造高結合強度非晶界面Al-Fe雙金屬構件! | 2023-03-07 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://www.163.com/dy/article/HE60ALP70536M4GO.html" 導讀：以實現先進的多材料結構的巨大優勢，提供有效的輕量化和日益智能的功能，對制造大型鋁鋼(Al-Fe)雙金屬組件的能力的需求日益增長。在鍵合界面形成脆性金屬間化合物(IMCs)是現有制造工藝(包括增材制造技術)安全關鍵應用的主要障礙。本文將新型改良的摩擦攪拌增材制造(M-FSAM)和不銹鋼的預處理表面拋光相結合，能夠沿6061Al和304不銹鋼之間的鍵合界面形成相對均勻分布的納米級非晶態層。因此，獲得了280MPa的高界面結合強度。與現有的攪拌摩擦焊AM工藝相比，M-FSAM使得Al-Fe雙金屬組件制造的刀具橫移速度顯著提高，刀具成本顯著降低。納米級非晶層由厚度為10-20nm的連續富O和富Mg層和厚度為50-100nm的不連續Al-Fe-Si層組成。富O和富Mg層由具有納米晶沉淀相的非晶基體組成，而Al-Fe-Si層由具有一定結晶度的q-玻璃組成。本研究詳細分析了這種獨特的Al-Fe界面微觀組織的形成機理。金屬增材制造(Metaladditivemanufacturing,AM)可以定義為一層一層連接金屬，從3D模型數據制作實物的過程。就其本質而言，金屬增材制造(metalAM)是一種多功能、靈活的數字化制造過程，并提供了包括高度定制產品、更少的材料浪費、更少的需要組裝的零部件等諸多好處(Samesetal.，2016)。認識到金屬AM的高潛力，世界主要工業化國家都在大力投資金屬AM技術，將其作為未來制造的關鍵賦能器。Yu和Mishra(2021年)提出，在航空航天和國防、電力和能源等各種工業部門，對大規模不同或多金屬AM技術的需求正在增加。在各種潛在的異種金屬組合中，增材制造鋁-鋼(Al-Fe)雙金屬組件的制造是許多輕量化或多功能結構應用的最大興趣，因為鋼和鋁合金是應用最廣泛的工程金屬。然而，使用當今基于熔合的AM方法，鋼和鋁合金之間的層間結合往往導致在不同的金屬界面形成脆性金屬間化合物(IMCs)。Cai等人(2019)的研究表明，Al-Fe界面上厚IMCs的存在會導致界面脆性斷裂，結合強度降低。這限制了Al-Fe雙金屬構件在臨界承載結構中的應用。Zhang和Bandyopadhyay(2021)利用定向能沉積技術制備了具有成分梯度過渡的316不銹鋼和Al12Si鋁合金雙金屬結構。FeAl、Fe2Al5和FeAl3IMCs在成分梯度過渡段形成。界面區可見裂紋或孔洞缺陷。用壓縮試驗而不是拉伸試驗來評價所制備的雙金屬結構的承載能力。傳統方法主要通過合金化和控制加工熱歷史來減輕Al-Fe鍵合界面上的IMC，與此不同的是，Liu等人(2020)最近證明，可以通過在界面上引入納米級非晶化層來抑制Al-Fe界面上厚IMC的形成，表明鋁合金和鋼之間的快速摩擦通過觸發納米尺度剪切局部化，促進了Al-Fe界面的納米尺度界面預熔。剪切局部化層內產生的應變率足以有效地抑制結晶。Al-Fe界面處預熔金屬層的存在促進了合金元素從周圍合金快速擴散到預熔層，形成過冷液態合金。過冷液態合金內部的高剪切應變速率一直持續到界面溫度足夠低，過冷液態合金凝固成一層非晶態固體，而不依賴于超高的冷卻速率。這一過程可稱為Al-Fe界面剪切局部化誘導合金非晶化(SLIAA)。攪拌摩擦焊(FSW)是一種很有前途的方法，由于其相對較低的熱輸入和減少有害的IMC，已被廣泛研究用于連接鋁合金和鋼。Watanabe等人(2006)表明，在鋼鋁界面處形成了少量的IMC，而IMC形成的區域似乎是接頭中的斷裂路徑。Wang等人(2019)證明，與傳統攪拌摩擦劃痕工具相比，用于生產Al-Fe搭接接頭的摩擦攪拌劃痕工具能夠減少熱量輸入和IMC層厚度。Zhou等人(2020)表明，與傳統的FSW鋁鋼焊接相比，摩擦堆焊輔助攪拌摩擦搭接焊接可以提高約30%的承載能力。Liu和Dong(2021)表明，即使是輕微的攪拌摩擦工具滲透到鋼中，也會導致界面處形成IMC，降低鍵合界面的承載能力。因此，為了提高Al-Fe界面上的結合強度，需要開發能夠有效阻止有害IMC形成的新技術。摩擦攪拌增材制造(FSAM)是對FSW工藝的改進。Palanivel等人(2015)證明，FSAM制備的合金主要由精制的變形組織和由此產生的優異力學性能組成。他們指出，與基于融合的調幅和超聲調幅相比，FSAM的關鍵好處包括(1)制造大型組件的能力，(2)faying表面污染不像在超聲調幅中那么重要，(3)連接不同金屬的能力，這對熔焊和超聲調幅構成挑戰，高重現度等。需要指出的是，Liu等人(2022)完成的現有研究未能在整個Al-Fe界面上產生連續的納米級非晶態層。因此，界面結合強度的有效性和M-FSAM在生產更強的Al-Fe雙金屬組分方面的魯棒性仍有待證明和理解。這一問題將在本文中得到解決。從界面材料流場的觀點來看，為了在沉積的鋁和鋼基體之間沿整個結合界面產生和保持均勻的摩擦，從而實現連續的納米級非晶態層，從而獲得高的結合強度，降低鋼表面粗糙度應該是理想的。這將在本研究的結果中得到證實。除了鋼表面粗糙度，工藝參數和局部合金化對Al-Fe界面上納米非晶層形成的影響也進行了研究。實驗結果證明了M-FSAM在制備更強的Al-Fe雙金屬組分方面的優勢和魯棒性。本研究中獲得的優異結合強度是納米尺度非晶層的形成的結果，該非晶層由厚度為10-20nm的連續富O和富Mg層和厚度為50-100nm的不連續Al-Fe-Siq-glass組成。本研究詳細分析了這種獨特的Al-Fe界面微觀結構的形成機理。相關研究以“AmorphousinterfacialmicrostructureandhighbondingstrengthinAl-Febimetalliccomponentsenabledbyalarge-areasolid-stateadditivemanufacturingtechnique”為題發表于國際頂刊“JournalofMaterialsProcessingTechnology”。鏈接：https:doi.org10.1016j.jmatprotec.2022.117721圖1所示。(a)攪拌探針穿透鋼材的FSAM和(b)攪拌探針與鋼材之間有一段距離的M-FSAM的實驗裝置示意圖。大型Al-Fe雙金屬組件M-FSAM的概念:(c)兩層組件和(d)三層組件。M-FSAM生產的典型Al-Fe雙金屬組件:(e)兩層組件和(f)三層組件。圖2所示。6061鋁合金和304不銹鋼雙金屬組件在1000轉分鐘和600毫米分鐘生產的界面SEM背散射電子圖像:(a)低放大倍率圖像，(b)中間放大倍率圖像，(c)右紅矩形在(b)，(d)左紅矩形在(b)。STEM亮場(BF)圖像:(e)低放大倍率圖像顯示界面微觀結構一般均勻，(f)高放大倍率圖像顯示界面細節。注:箭頭指向非晶態區域。圖3所示。(a)STEMBF圖像和x射線能量色散光譜(EDS)元素圖，分別為(b)Al，(c)Fe，(d)Cr，(e)Ni，(f)Mn，(g)Si，(h)Mg，(i)O，(j)c，(k)Ti和(i)Zn。圖4所示。橫跨Al-Fe界面的EDS線廓線分別為(a)無半球形顆粒位置和(b)有半球形顆粒位置。圖5所示。用于進一步局部分析的Al-Fe界面微觀結構示意圖。圖6所示。HR-STEMBF跨Al-Fe界面與Al-Fe-Si層的成像分析:(a)鋁基體與Al-Fe-Si層之間的界面，(c)Al-Fe-Si層的中間，(e)位于Al-Fe-Si層與304不銹鋼之間的富O和富Mg層，以及(b)區域1、(d)區域2和(f)區域3的FFT圖案。圖7所示。在沒有Al-Fe-si層的位置，跨Al-Fe界面的HR-STEM分析:(a)亮場圖像和FFT模式取自(b)區域1，(c)區域2，和(d)區域3。圖8所示。(a)M-FSAM參數對6061鋁合金和304不銹鋼雙金屬構件標稱抗拉強度的影響。MFSAM在1000rpm和600mmmin下制作的典型失效的Al-Fe微型拉伸試樣:(c)低放大倍電子背散射圖像，(d)(c)中I區斷口，(e)(c)中II區斷口，(f)拋光304不銹鋼8號鏡面拋光的第二電子(SE)圖像。圖9所示。6061鋁合金和304不銹鋼在M-FSAM過程中界面組織演變示意圖:(A)快速摩擦引起的界面預熔，(b)原子擴散導致的預熔層合金化，(c)q-glass形核和生長，(d)凝固前的液體分離，(e)最終界面組織。圖10所示。從鍵合界面到鋁合金基體的微觀組織和元素分布:(a)STEM-HAADF圖像;(b)Fe，(c)Al，(d)Si，和(e)Mg的分布;(f)和(g)從(a)中半透明綠色帶獲得的EDS線廓線。結論1.本研究表明，新型改性攪拌摩擦添加劑制造(M-FSAM)通過促進界面預熔和沿鍵合界面的局部合金非晶化，導致6061鋁合金與304不銹鋼之間沿鍵合界面形成納米級非晶層。采用M-FSAM可實現6061鋁合金與304不銹鋼之間高達280MPa的高結合強度。2.Al-Fe界面處的納米非晶層由厚度為10-20nm的連續富O、富Mg層和厚度為50-100nm的不連續Al-Fe-si層組成。富O和富Mg層由非晶態基體和納米晶析出相組成。不連續的Al-Fe-Si層由具有一定結晶度的非晶態q-glass半球形區域組成。3.Al-Fe-Si層中的Si含量約為7%wt%，遠高于6061鋁合金和304不銹鋼中的Si含量。4.M-FSAM被證明是生產6061鋁合金和304不銹鋼的Al-Fe雙金屬組件的關鍵使能器，在廣泛的刀具橫向速度范圍(0.3-3mmin)上，結合強度高于200MPa，使用H13工具鋼制成的具有成本效益的工具。與現有的基于摩擦攪拌的方法相比，M-FSAM在顯著提高刀具橫移速度和顯著降低刀具成本的情況下，顯示出了生產更強的Al-Fe雙金屬組件的潛力。 關鍵字標籤：Centrifugal Casting |
|
 |
|
