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双金属十字头热锻连接界面的增材制造与冶金特性分析

作者及机构
本研究由Joélson Vieira da Silva（Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina, Centro Universitário UNISATC）、Lirio Schaeffer（Universidade Federal do Rio Grande do Sul）等团队合作完成，发表于期刊《Materials Research》2025年第28卷，文章编号e20250347。

学术背景

研究领域：本研究属于金属增材制造（Additive Manufacturing, AM）与多材料复合加工交叉领域，聚焦于通过电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）技术制备的钢-铝双金属十字头的界面冶金行为。

研究动机：
1. 工业需求：航空航天和汽车领域对轻量化高强部件的需求迫切，传统单一材料难以兼顾强度与重量。例如，钢的机械性能优异但密度高，铝轻量化但强度不足。
2. 技术挑战：异种金属（如钢与铝）的界面结合易因热膨胀系数差异、氧化物生成等问题导致性能劣化。
3. 方法创新：团队提出结合WAAM增材制造与热锻（Warm Forging）的混合工艺，旨在优化界面结合质量。

研究目标：
- 评估WAAM制备的AWS A5.36 E110C-G M低合金钢与ASTM B221 6060铝双金属十字头的界面冶金特性；
- 分析热锻温度对界面微观结构、硬度及氧化物分布的影响；
- 为复杂高性能双金属部件的工业化应用提供理论依据。

研究流程与方法

1. 样品制备
- 增材制造：采用改装焊接机（ESAB Smashweld 250E）进行WAAM工艺，参数包括电流144A、电压19V、送丝速度1 kg/h，保护气体为85% Ar + 15% CO₂。
- 材料组合：外层沉积低合金钢（AWS标准），内芯填充6060铝合金（ASTM标准），通过6层交替沉积构建十字头结构（图2）。
- 热锻工艺：钢部加热至900°C（避免铝芯熔化），铝芯保持室温，使用100吨液压机单步锻压。

2. 分析技术
- 显微结构：光学显微镜观察界面晶粒形态，Nital 2%腐蚀剂揭示钢的相变区（HAZ）。
- 硬度测试：维氏硬度计（HV1载荷）在界面附近0.5 mm间隔测量。
- 成分分析：能谱仪（EDS）检测界面氧化物（如Fe-O相）及元素扩散。

3. 数据采集
- 温度监控：Optris PI 08M热成像仪记录沉积（1401.5°C）与锻造（约800°C）温度。
- 缺陷表征：通过切割样品暴露界面裂纹，结合EDS分析氧化物分布。

主要结果

1. 界面结合质量
- 机械互锁：热锻导致铝芯向内卷曲，形成机械锚定效应（图6），但界面存在微裂纹（图7），归因于冷却收缩差异。
- 氧化物影响：EDS检测到Fe、O富集区（图13），表明钢表面氧化膜破裂并迁移至铝基体（图12），削弱界面延展性。

2. 微观结构演变
- 钢侧HAZ：近界面区晶粒粗化（图9），因高温下铝的快速导热导致局部冷却速率差异。
- 铝侧稳定性：硬度测试显示铝芯未受热影响（60-62 HV），而钢侧硬度波动（266-292 HV），反映无显著成分过渡区（图11）。

3. 工艺局限性
- 100吨锻压载荷不足完全消除界面间隙，且锯切样品可能引入人工缺陷（图8）。

结论与价值

科学意义：
1. 证实WAAM结合热锻可实现钢-铝双金属的初步结合，但需优化工艺以减少氧化物和界面裂纹；
2. 提出界面性能受热输入控制与机械互锁共同影响，为多材料增材制造提供新见解。

应用价值：
- 为汽车传动部件（如轻量化十字头）的定制化生产提供技术路径；
- 指出未来需探索粉末助熔剂（如硼砂）以抑制氧化物，或调整温度梯度改善原子扩散。

研究亮点

1. 创新工艺：首次将WAAM与热锻联合用于钢-铝十字头制造，突破传统工艺的几何限制；
   
2. 多尺度分析：结合显微组织、硬度、EDS多手段系统评估界面特性；
   
3. 工业导向：明确工艺参数（如900°C锻温）对界面性能的定量影响，指导工程实践。
   

不足与展望：需进一步研究不同材料组合（如钛-钢）及更高锻压载荷下的界面行为。

（全文约1500字）