增材多孔層在增材馬氏體時效鋼與傳統(tǒng)AISI410鋼異種固態(tài)體連接中的有效性

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文探討了增材多孔層在增材馬氏體時效鋼與傳統(tǒng)AISI410鋼異種固態(tài)體連接中的有效性。

增材制造的馬氏體時效鋼和商用馬氏體不銹鋼（AISI410）試樣的圓柱形固態(tài)整體連接是通過電輔助壓力連接（EAPJ）實現(xiàn)的,。通過選擇性激光熔化增材制造，在圓柱形馬氏體時效鋼試樣的連接側(cè)形成多孔層,。在EAPJ過程中,，多孔層作為中間層，由于幾何誘導(dǎo)缺陷（孔隙）,，其電阻局部增加，顯著且局部地提高了最高溫度,，同時連接負(fù)載顯著降低,。微觀結(jié)構(gòu)演變表明，由于再結(jié)晶,，馬氏體時效鋼和AISI410側(cè)均發(fā)生晶粒細(xì)化,。馬氏體時效鋼試樣在增材制造過程中產(chǎn)生的高殘余應(yīng)力在EAPJ過程中顯著釋放。AISI410鋼中的馬氏體形成和馬氏體時效鋼中的回復(fù)奧氏體以晶粒平均圖像質(zhì)量為特征,。拉伸試驗表明,，斷裂總是發(fā)生在熱影響區(qū)和未影響區(qū)之間的過渡區(qū)。目前的研究表明,，使用額外制造的多孔層,，即使對于不同的材料組合，也可以更容易,、更有效地實現(xiàn)額外制造的組件和常規(guī)組件的批量連接,。

1. 介紹
汽車和航空航天工業(yè)對制造混合動力部件的需求不斷增長，推動了先進(jìn)連接技術(shù)的發(fā)展,。在各種連接技術(shù)中,，固相壓力連接可以有效地替代傳統(tǒng)的熔合連接技術(shù)，因為它可以避免熔合基焊接技術(shù)中常見的焊接收縮和開裂,。在固態(tài)壓力連接中,，伴隨著加熱的塑性變形打破了氧化層，并將原始材料通過裂紋擠壓到接觸處,，從而創(chuàng)造了固態(tài)連接,。電輔助壓力連接(EAPJ)是一種新型的固態(tài)壓力連接工藝，它提供局部快速的電阻加熱,，并通過電流的非熱效應(yīng)(即電塑性效應(yīng))增強原子擴(kuò)散,。除了眾所周知的電阻加熱的熱效應(yīng)外,，電流的非熱效應(yīng)還可以增強金屬原子的動力學(xué)，從而加速或誘導(dǎo)退火,、組織愈合,、再結(jié)晶和時效。在EAPJ中,，界面結(jié)合是通過溫度升高(電阻加熱),、電流非熱效應(yīng)和塑性變形誘導(dǎo)原子擴(kuò)散和再結(jié)晶建立的。因此,，這種固態(tài)連接技術(shù)非常適合于連接相似或不同的合金,。

原理圖顯示了使用預(yù)清潔的兩步計劃的過程。

上圖中給出了說明提議的兩步焊接規(guī)程概念的原理圖,。圖(a)顯示了夾在鋁合金和鋼板之間的一層薄膠粘劑,，其中多級電極在鋁側(cè)使用，而球形/圓頂電極在鋼側(cè)使用,。電極擠壓過程如圖(b)所示,。它關(guān)閉了所有faying接口之間的間隙，為隨后的電流流動做準(zhǔn)備,。因此,，鋁與鋼板之間的軟膠粘劑大部分被擠壓出來，機械擠壓后會殘留一定量的膠粘劑,。隨后的預(yù)清理步驟是通過如圖(c)所示的輕微驅(qū)逐,，將膠粘劑及其分解產(chǎn)物驅(qū)逐出焊接區(qū)域。最后是平衡鋁熔核生長,、IMC增厚和夾雜物溶解的焊接工藝,，如圖(d)所示。

選擇性激光熔化(SLM)是一種增材制造(AM)技術(shù),，是在粉床融合(PBF)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的快速成型和制造技術(shù),。在SLM-AM過程中，粉末逐層沉積,，使用激光源選擇性熔化,，然后在快速冷卻下凝固。因此,，這種方法可以制造出形狀或幾何形狀復(fù)雜的功能性產(chǎn)品(如空心部件,、內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)的零件、帶冷卻通道的模具),，這些都是傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)的,。此外，一種被稱為定向能量沉積(DED)的AM技術(shù)可以用來修復(fù)局部損壞的部件,，以恢復(fù)產(chǎn)品的價值,，并將部件恢復(fù)到原來的形狀和可工作狀態(tài),。然而，增材制造存在表面粗糙度,、各向異性,、殘余應(yīng)力等問題，且加工大型零件的時間較長,，阻礙了增材制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用,。

(a)圓屋頂、(b)錐形和(c)鋁側(cè)使用的多級電極,，(d)鋼側(cè)使用的圓屋頂電極的電極面圖像和相應(yīng)的截面剖面圖,。

馬氏體時效鋼1.2709(俗稱工具鋼)主要由Ni、Co,、Mo,、Ti、Al和平衡鐵組成,，是一種極低碳含量的極有前途的高強度AM金屬,。由于Ni的低碳含量和高元素含量，增材制造(AMed)馬氏體鋼的顯微組織以軟鎳馬氏體和殘余奧氏體為特征,。馬氏體時效鋼的比強度高，斷裂韌性好,，可用于制造發(fā)動機外殼,、成型模具、注射模具以及經(jīng)沉淀硬化或固溶退火處理后具有冷卻通道的產(chǎn)品,。商業(yè)化的AISI410是一種12%鉻馬氏體不銹鋼,，低碳含量，可以通過熱處理在低冷卻速率(空冷)下硬化為板條馬氏體組織,。AISI410具有高強度,、耐腐蝕、高耐磨性等優(yōu)點,，廣泛用于制造汽車零部件和醫(yī)療器械,。大量連接AMed(通常通過SLM)馬氏體時效鋼和常規(guī)制造的AISI410，可以促進(jìn)混合材料組合在許多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,，如燃?xì)廨啓C行業(yè)和塑料注射成型模具的定制,。

一些研究人員已經(jīng)成功地利用直接AM或AM與傳統(tǒng)連接方法相結(jié)合的方法實現(xiàn)了不同金屬組合的連接，并對接頭的組織演變和機械行為進(jìn)行了表征,。Samei 等成功地將Corrax鋼印刷在AISI420基板上,，使用激光粉末床融合技術(shù)來驗證塑料注射成型模具的混合制造潛力。印刷后進(jìn)行復(fù)合熱處理,，提高了材料的機械性能和冶金相容性,。觀察到由于界面不相容和脫聚引起的空洞形核和生長,。Bai 等采用SLM方法在CrMn鋼頂部沉積馬氏體時效鋼。他們對混合組分的界面形貌進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)表征,，以研究其冶金性能,，并觀察到兩種不同材料之間存在130 μ m寬的界面。Tabaie 等報道了一種結(jié)合線性摩擦焊接和SLM的混合連接方法,，用于連接SLM Inconel 718和鍛造鎳基高溫合金AD730,。最近，Hong等成功地證明了在圓柱形SUS316L試樣的體固相連接(EAPJ)中使用單獨的AMed多孔夾層可以提高工藝效率,。此外,，將EAPJ方法成功地應(yīng)用于S45C與鋁6061、SUS316L與Inconel 718的異種材料組合,，以及crmnfeconi基等原子高熵合金的異種材料組合,。

在本研究中，采用AM和EAPJ結(jié)合的混合連接方法,，將SLM-AMed馬氏體時效鋼1.2709和常規(guī)制造的AISI410不銹鋼相結(jié)合,。在馬氏體時效鋼試樣的SLM-AM中，通過調(diào)節(jié)變形抗力,，在試樣的接合面同時制備多孔層,，克服了變形不對稱性，從而增強了因壓力接合面足夠大而導(dǎo)致的原始金屬擠壓,。同時,，多孔層也被考慮以提高工藝效率和合成接頭的性能。通過顯微組織分析和機械性能測試對合成接頭的性能進(jìn)行了詳細(xì)的評價,。

2. 試驗裝置
2．1． 材料準(zhǔn)備和AM工藝
直徑為16 mm,、高度為58 mm的1.2709柱狀馬氏體時效鋼試件為AMed(簡稱AM-MS1)。采用常規(guī)加工方法制備了尺寸與AM-MS1相同的AISI410不銹鋼圓柱形試樣,。AM-MS1和AISI410的化學(xué)成分見表1,。

表1 材料的化學(xué)成分(wt%)。

AM工藝是使用定制的SLM機器(SLM 280HL,SLM solutions GmbH, Germany)進(jìn)行的,，該機器配備了雙400w光纖激光器和軟涂層嘴唇,。SLM- am中使用的是商用球形MS1粉末(SLM溶液集團(tuán)AG，德國),，粒徑范圍為10 - 45 μ m,。AM期間平臺保持在100°C，以減少殘余應(yīng)力,。建造室充入氬氣(含氧量<0.1%)以防止在AM過程中氧化,。在樣品制作過程中使用的其他打印參數(shù)如表2所示。打印完成后，經(jīng)過研磨拋光,，利用ImageJ軟件計算孔隙度,。

表2 SLM AM工藝參數(shù)。

通過MS1試樣的AM,，制備了兩種不同類型的試樣（連接端有或沒有多孔層）,，如圖1所示。對于沒有多孔層的MS1試樣（簡稱NPL-MS1試樣）,，58 mm的高度與高密度（>99.5%）相當(dāng),，這幾乎相當(dāng)于理想的固體基質(zhì)。對于具有多孔層的MS1試樣（簡單地說,，PL-MS1試樣）,，首先在圓柱形試樣底部測量5 mm的低密度高度，約79%（孔隙率21%）,，而在53 mm高度的頂部連續(xù)測量高密度（>99.5%）,。多孔層通過有意引起的幾何缺陷（即相對較高的孔隙率）增加局部電阻，從而降低連接壓縮載荷,，并使溫度升高局部化,。此外，由于多孔層中的高孔隙率降低了相對堅硬的MS1試樣連接端的機械強度,，因此可以實現(xiàn)EAPJed試樣的相對對稱變形,。

圖1 EAPJ原理圖:無孔層(上)和有孔層(下)。

2.2. EAPJ過程
EAPJ實驗是在室溫環(huán)境空氣中,，在帶有定制夾具（圖1）的萬能伺服壓力機上沿試樣組件的軸向進(jìn)行的,。為了確保連接期間試樣組件的穩(wěn)定性，將AM-MS1和AISI410試樣插入頂部和底部電極（40 每側(cè)的深度分別為mm）,。根據(jù)設(shè)置，每個試樣可分為未受影響區(qū)域（連接期間插入電極）和熱影響區(qū)域（接頭界面和電極之間的加熱和變形區(qū)域）,。在伺服壓力機的十字頭和電極之間插入兩個膠木制成的絕緣體,，以保護(hù)設(shè)備。在EAPJ過程中,，可控發(fā)電機（SP-1000）產(chǎn)生的電流 U,、韓國韓星），最大排水量為15 毫米,，恒定位移率為20.5 mm/min同時應(yīng)用,。用砂紙打磨試樣的接合面，并在接合前用丙酮清洗,。溫度變化由紅外熱成像攝像機（瑞典FLIR公司FLIR-T621）監(jiān)測,。樣品涂上黑色熱漆，以穩(wěn)定發(fā)射率并提高測量溫度的準(zhǔn)確性。

連接過程中的最高溫度用于呈現(xiàn)電流施加到試樣組件時的溫度歷史,。萬能伺服壓力機上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也記錄了壓縮位移和載荷的歷史,。通過單獨進(jìn)行的初步試驗選擇的相同參數(shù)（表3）適用于兩種不同的組合（NPL-MS1和AISI410的NPL連接和PL-MS1和AISI410的PL連接，圖1）,。如圖2所示,，電流模式被設(shè)計為初始連續(xù)電流和脈沖電流的組合。在EAPJ初期,，連續(xù)電流用于快速加熱,，而脈沖電流用于誘導(dǎo)保持時間，以維持變形過程中的高溫,，這也降低了變形阻力,，增強了界面擴(kuò)散。每種組合連接五個試樣組件,，以驗證重復(fù)性,。

表3 EAPJ工藝參數(shù)。

圖2 EAPJ過程中的電流和位移,。

2.3. 微觀結(jié)構(gòu)分析
連接后,，沿連接方向（圖5中的黃色矩形區(qū)域）垂直于連接界面對接頭進(jìn)行橫截面。樣品最初研磨至1200粒度,，并用1和0.25研磨標(biāo)準(zhǔn)金相制備后的μm金剛石膏,，然后稍微蝕刻(氯化銅12通用;鹽酸20毫升;酒精225毫升)用于一般觀察。首先通過激光共聚焦顯微鏡(VK-X200, Keyence, Osaka, Japan)觀察關(guān)節(jié)界面,，以評估關(guān)節(jié)質(zhì)量,。使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM: SU5000，日立,，日本)和電子背散射衍射儀(EBSD: TSL Hikari Super, TSL,，美國)對0.5μm硅膠懸浮液拋光后的接頭界面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。元素擴(kuò)散通過能量色散光譜儀(EDS: X-Max50,，堀葉,，日本)在25000 ×放大倍數(shù)下進(jìn)行評估。EBSD分析時,，加速電壓設(shè)置為20 eV,，探頭電流設(shè)置為14 nA，探頭傾角設(shè)置為70°,。在分析過程中,，母材的步長為0.12μm，接頭界面的步長為32 nm,，工作距離為15-18 mm,。采用5°的籽粒公差角進(jìn)行籽粒鑒定,。利用晶粒尺寸、反極圖(IPF)圖,、帶晶界的圖像質(zhì)量(IQ)圖,、核平均取向錯(KAM)圖和晶粒平均圖像質(zhì)量(GAIQ)圖分析了EAPJ過程中的微觀組織演變。在IQ圖中,，將角度大于15°的晶界定義為大角度晶界(HAGB),，而將角度大于15°的晶界定義為低角度晶界(LAGB)。

2．4． 機械測試
通過準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗和顯微硬度測試對接頭的機械性能進(jìn)行了評價,。使用Vickers壓頭(HM-200, Mitutoyo,，日本)測量了關(guān)節(jié)界面(從關(guān)節(jié)界面到BM的每邊200μm)的顯微硬度(HV) (1 N, 10 s)。接頭被加工成“狗骨”形狀(ASTM E8/E8M),，長度為30毫米,，直徑為8毫米，用于準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗,。在恒定位移速率為1 mm/min的萬能拉伸機上進(jìn)行拉伸試驗,。測試之后，還檢查了斷裂表面,，以評估拉伸過程中的斷裂機制,。

3.結(jié)果與討論
3．1. EAPJ過程響應(yīng)和接頭外觀
對于NPL和PL連接，初始連續(xù)電流下的溫度歷史均呈快速上升趨勢,，隨后脈沖電流下的溫度歷史均接近平穩(wěn)(圖3(a)),，盡管兩種情況在連接過程完成時溫度均略有下降。在整個連接過程中,，NPL連接的溫度始終低于PL連接的溫度,。NPL和PL加入的保溫時間平均溫度分別為900℃和1010℃。值得注意的是,，對于這兩個關(guān)節(jié),，EAPJ中使用的實驗參數(shù)是相同的。溫度歷史的差異是由于幾何誘導(dǎo)缺陷多孔層的電阻顯著增加(孔隙率為21%),。

圖3 EAPJ過程響應(yīng):(a)溫度歷史和(b)壓縮負(fù)荷歷史;(c) NPL接頭和(d) PL接頭軸向溫度分布,。

從熱影響區(qū)沿軸向的瞬時溫度分布(圖3(c)和(d))可以看出，在PL連接過程中,，溫度升高高度集中在多孔層上(近似圖3(d)中粉色區(qū)域)。相反,，美國國家物理實驗室的加入顯示了一個相對均勻的溫度分布,。此外，與NPL連接相比,，PL連接的峰值力顯著降低了44%,，如圖3(b)所示。峰值力的顯著降低是由于多孔層溫度升高和強度降低的共同作用。

EAPJ后,，NPL接頭和PL接頭的變形形態(tài)不同,，如圖4所示。NPL接頭界面的非對稱變形(圖4(a))表明,，EAPJ過程中,，AM-MS1和AISI410在連接溫度下的機械性能差異很大，導(dǎo)致AISI410側(cè)發(fā)生較大變形,。由于非對稱變形,，AISI410覆蓋在AM-MS1上，AM-MS1在整個熱影響區(qū)逐漸變形,。對于PL接頭(圖4(b)),，多孔層在變形過程中主要被擠壓出，相對于界面形成相對對稱的形狀,。值得注意的是,，在EAPJ過程中，多孔層的截面明顯增大,，而多孔層上方到電極的區(qū)域沒有明顯的變形,。因此，變形集中在多孔層中,，基體(AM-MS1,，高密度)得到了有效保護(hù)。接頭的變形形狀表明,，在固相連接中使用多孔層可以通過調(diào)節(jié)變形抗力來降低接頭的變形不對稱性,，而變形抗力是壓力連接時焊縫表面足夠大的關(guān)鍵因素。

圖4 接頭外觀:(a)不良物質(zhì)接頭和(b) PL接頭,。

３．２． 光學(xué)和掃描電子顯微鏡
從NPL接頭和PL接頭的界面上觀察到的截面光學(xué)顯微鏡圖像顯示,，宏觀上無缺陷的接頭是由EAPJ制作的(圖5(a)和(b))。對于PL接頭,，在EAPJ過程中,，AMed多孔層的孔隙被完全消除。EDS圖譜證實了擴(kuò)散形成的冶金結(jié)合,，如圖5(c)和(d)所示,。界面均勻分布，無明顯的化學(xué)偏析,，表明在EAPJ過程中,，在快速加熱和劇烈的塑性變形下形成了良好的鍵合。

圖5 AM-MS1/AISI410接口的光學(xué)顯微圖(a) NPL接頭和(b) PL接頭;(c) NPL接頭和(d) PL接頭的界面SEM圖像及其主要元素的EDS映射,。

通過圖6中結(jié)合面擴(kuò)散厚度的定量評價可知,，NPL接頭和PL接頭的擴(kuò)散厚度分別為1.3μm和1.9μm,。在多孔層的PL接頭中，擴(kuò)散厚度增加了約46%,。值得注意的是,，固相連接中擴(kuò)散厚度的增加對應(yīng)著較高的界面接頭強度。對球形黑點(圖6中的A點和B點)進(jìn)行點分析,，結(jié)果顯示其化學(xué)成分(表4)與MS1粉末相似,，說明納米顆粒的形成。在用SLM-AM制備微米級孔隙AM-MS1的過程中,，未熔化的MS1粉末會被困在孔隙中,。在大塑性變形和熱輸入的EAPJ中，截留的MS1粉末形成微細(xì)焊接顆粒,，而原始的毫米大小的孔隙被封閉和消除,。

圖6 長度為4.5μm的EDS線掃描分析主要元素跡(a) NPL接頭和(b) PL接頭。

表4 A點和B點的化學(xué)成分(wt%),。

3．3． EBSD分析
晶粒和面向均勻顆粒平均粒徑為7.9±4.0μm AISI410 BM獲得,而AM-MS1有更多的異構(gòu)谷物擇優(yōu)取向和平均粒徑為4.4±6.0μm竣工條件,見圖7中的EBSD IPF地圖(a)和(b),在加入由于動態(tài)再結(jié)晶,，NPL接頭中AISI410的晶粒由7.9±4.0μm細(xì)化到2.6±2.4μm, AM-MS1的晶粒由4.4±6.0μm細(xì)化到1.5±1.2μm(圖7(c))。PL接頭AM-MS1的平均晶粒尺寸(2.4±1.9μm)略大于NPL接頭的平均晶粒尺寸(1.5±1.2μm),，因為PL接頭在連接過程中經(jīng)歷了較高的溫度(圖7(d)),。晶粒尺寸分布差異較大，表明NPL接頭和PL接頭[30]兩側(cè)均發(fā)生了部分動態(tài)再結(jié)晶,。從節(jié)理形貌可以看出,，在PL節(jié)理的AM-MS1側(cè)，AM-MS1試樣的變形更集中在PL節(jié)理的多孔層中(圖4),。

圖7 EBSD IPF圖和晶粒尺寸:(a) AISI410 BM,， (b) AM-MS1 BM， (c)各側(cè)為NPL接頭,，(d)各側(cè)為PL接頭(JD-joining方向;TD-transverse方向;ND-normal方向),。

為了更好地理解EAPJ過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變，獲得了晶界和KAM圖,，如圖8所示,。在晶界圖（圖8（a）-（c））中，HAGBs和LAGBs的分?jǐn)?shù)表示為BMs和接頭每側(cè)總晶界的百分比,。在AISI410和AM-MS1 BMs中,，HAGBs的分?jǐn)?shù)主要較高，這對強化機制至關(guān)重要,。連接后,，兩個接頭的LAGBs與HAGBs的比率（NPL AISI410:1.0；NPL AM-MS1:1.2,；PL AISI410:0.9,；PL AM-MS1:0.8）均高于BMs（AISI410 BM:0.3；AM-MS1 BM:0.17）,，這是EAPJ期間經(jīng)歷塑性變形的結(jié)果,。此外，PL接頭AISI410和AM-MS1側(cè)的HAGBs分?jǐn)?shù)略高于NPL接頭的HAGBs分?jǐn)?shù),，這是因為PL接頭中的塑性變形相對較高,。AM-MSI BM（2.68）的非常高的平均KAM值表明，AM期間,，瞬時熔化和快速凝固產(chǎn)生的陡峭熱梯度以高冷卻速率[17]誘發(fā)了高殘余應(yīng)力,，如圖8（d）所示。與BM相比,，NPL和PL接頭AM-MS1側(cè)的KAM值（圖8（e）和（f））顯著降低,，表明AM工藝產(chǎn)生的殘余應(yīng)力得到了極大的緩解。PL接頭AM-MS1側(cè)的KAM值進(jìn)一步降低（從0.82降至0.61）,，這可以理解為通過多孔層溫度進(jìn)一步升高的結(jié)果,。相反，AISI410僅顯示了加入后KAM值的微小變化[BM:0.61,；NPL接頭：0.68,；PL接頭：0.67]。

圖8 覆蓋晶界的IQ映射:(a) BMs,， (b) NPL接頭,，(c) PL接頭;KAM映射:(d) BMs， (e) NPL接頭,，(f) PL接頭(HAGBs和LAGBs的分?jǐn)?shù)在IQ映射中給出;KAM的平均值在KAM地圖中給出),。

為了定量評價AISI410和AM-MS1在EAPJ過程中的相變，IQ參數(shù)可以根據(jù)晶格缺陷來區(qū)分相,。馬氏體晶格缺陷較多,，IQ值較低，而鐵素體和奧氏體晶格相對完善,，IQ值較高,。在本研究中，IQ值5000被用來區(qū)分馬氏體,，鐵素體和奧氏體,。對于BMs(圖9(a)和(c))， AISI410以IQ值大于5000的相為主(退火鐵素體結(jié)構(gòu)),，而AM-MS1以IQ值小于5000的馬氏體為主,。無論是NPL接頭還是PL接頭，在AISI410側(cè)均檢測到馬氏體分?jǐn)?shù)顯著增加,，這可以從IQ值小于5000的分?jǐn)?shù)得到證明(圖9(b)和(d)),。這兩個接頭在空冷過程中形成的馬氏體可以與Tsai等人的報告相比較,，他們的報告表明，在AISI410中,，通過一系列連續(xù)加熱和冷卻過程,，空冷可以在很低的冷卻速率下形成位錯板條馬氏體。在AM- ms1的建成條件下(圖9(c)),，少量IQ值大于5000的相屬于殘余奧氏體,，這與AM馬氏體時效鋼的報道一致。對于AM-MS1側(cè),，NPL接頭中奧氏體含量略有增加,，而PL接頭中奧氏體含量顯著增加，從圖9(d)中IQ值的GAIQ圖及其相關(guān)區(qū)域分布可以看出,。

圖9 GAIQ圖和面積分?jǐn)?shù)的相關(guān)分布:(a) AISI410 BM,， (b) NPL接頭，(c) AM-MS1 BM,， (d) PL接頭,。

奧氏體含量明顯增加，表明在EAPJ過程中形成了還原奧氏體,。對于PL接頭,，獲得較高溫度的速度更快，保持的時間更長,，顯著提高了奧氏體相變,。注意，在AM過程中,，由于元素的非均勻分布,，具有較高溶質(zhì)水平的區(qū)域為奧氏體相變提供了一個理想的形核位點。

3．4． 機械性能
圖10為間隔為50μm的節(jié)理穿過節(jié)理界面的截面的顯微硬度測量結(jié)果,。AM-MS1的平均顯微硬度約為340 HV,。EAPJ后，由于殘余應(yīng)力的釋放,，AM-MS1側(cè)和AM-MS1側(cè)的顯微硬度降低,。顯微硬度的降低與顯著降低的KAM值一致，如圖8所示,。兩個接頭AISI410側(cè)顯微硬度的顯著增加(從BM: 210 HV到約500 HV)是EAPJ過程中形成大量馬氏體的結(jié)果,，圖9中的GAIQ值支持了這一結(jié)果。值得注意的是,，PL接頭AM-MS1側(cè)的顯微硬度略低于NPL接頭AM-MS1側(cè)的顯微硬度,，而AISI410側(cè)的顯微硬度則相反。PL接頭中AM-MS1側(cè)的顯微硬度降低，是因為與NPL接頭中AM-MS1側(cè)相比,，AM-MS1側(cè)的殘余奧氏體比例更高(圖9(b)和(d)),。PL接頭AISI410側(cè)顯微硬度的提高可以解釋為高溫和變形誘發(fā)的加工硬化，共同作用下形成穩(wěn)定的板條馬氏體組織的位錯穩(wěn)定化,。

圖10 界面上的顯微硬度分布(測量距離為400μm),。

在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗中，NPL接頭和PL接頭的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖11)表現(xiàn)出相似的極限抗拉強度和延伸率,。AISI410側(cè)兩個關(guān)節(jié)均發(fā)生斷裂，如圖11所示,。NPL接頭和PL接頭相似的力學(xué)性能證實了不同材料組合在EAPJ過程中使用多孔夾層的有效性,。對于NPL接頭和PL接頭，拉伸斷裂均發(fā)生在熱影響區(qū)和未影響區(qū)之間的過渡區(qū),。請注意,，未受影響的區(qū)域是插入到電極連接，其機械性能預(yù)期幾乎相同的BM,。如上所示,，AISI410側(cè)馬氏體含量顯著增加，加入后熱影響區(qū)明顯增強,。然而,，未受影響的區(qū)域仍然具有與BM相似的力學(xué)強度，導(dǎo)致過渡區(qū)斷裂,。NPL和PL接頭中心區(qū)域的斷口(圖12)表現(xiàn)出完全的韌性斷裂,，表現(xiàn)為大量的韌窩，這些韌窩通常是通過微空洞的形核,、生長和聚結(jié)而形成的,。與此相反，NPL和PL接頭邊緣區(qū)脆性和韌性斷裂的綜合斷裂特征是同時出現(xiàn)解理面和韌窩,。

圖11 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和接頭的斷裂外觀,。

圖12 代表性節(jié)理（PL節(jié)理）的斷裂面。

4.結(jié)論
在本研究中,，AMed馬氏體時效鋼和常規(guī)馬氏體不銹鋼（AISI410）圓柱形試樣通過EAPJ進(jìn)行固態(tài)連接,。通過比較NPL連接和PL連接，驗證了AMed多孔層對連接的有效性,。討論了EAPJ過程中的過程響應(yīng),、界面特征和機械行為。AMed多孔層有效且局部地增加了連接界面處的電阻,，從而顯著提高了最高溫度,，并顯著降低了連接負(fù)載。結(jié)果表明,，多孔層還顯著增加了擴(kuò)散厚度,，增強了界面結(jié)合強度,。對于NPL和PL接頭，AM-MS1側(cè)的顯微硬度降低歸因于AM釋放的高殘余應(yīng)力,，而AISI410側(cè)的大量馬氏體形成導(dǎo)致顯微硬度顯著增加,。兩個接頭均在AISI410側(cè)熱影響區(qū)和未影響區(qū)之間的過渡區(qū)斷裂。本研究中提出的方法可以提高EAPJ的效率,，它可以有效地替代傳統(tǒng)的熔合連接或其他高成本,、耗時的固態(tài)連接技術(shù)，如爐內(nèi)擴(kuò)散連接或摩擦焊接,。

目前的研究清楚地證明了在不同材料組合的EAPJ過程中使用AMed多孔層的好處,。可以更有效地局部控制溫度,，從而在預(yù)期局部區(qū)域更適當(dāng)?shù)乜刂撇牧狭鲃�,，以實現(xiàn)相對于界面的更不對稱變形。材料流動的控制在具有高度不同機械性能的異種材料組合的固態(tài)連接中尤為關(guān)鍵,。此外,，連接負(fù)載可以顯著降低，這降低了實際應(yīng)用中連接設(shè)備所需的容量,。

來源：Effectiveness of an additively manufactured porous layer indissimilar solid-state bulk joining of additively manufactured maraging steeland conventional AISI410 steel,，Additive Manufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2021.102508
參考文獻(xiàn)：N. Chen, H.-P. Wang, M. Wang, B.E. Carlson, D.R. Sigler, Scheduleand electrode design for resistance spot weld bonding Alto steels, J. Mater. Process. Technol. 265 (2019) 158–172. ,，S. Zhang, K.Gao, S.-T. Hong, H. Ahn, Y. Choi, S. Lee, H.N. Han, Electrically assisted solid state lap joining of dissimilar steelS45C and aluminum 6061-T6 alloy,J. Mater. Res. Technol. 12 (2021) 271–282