新的3D打印方法創(chuàng)造了高強(qiáng)度不銹鋼和鋁合金混合材料

2023年11月15日，南極熊獲悉,，廣島大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功地開發(fā)出一項(xiàng)創(chuàng)新的3D打印技術(shù),。該技術(shù)能夠高效地將不銹鋼（SUS304）和鋁（A5183）材料進(jìn)行粘合,，它的分離應(yīng)力高達(dá)每平方英寸17404.5磅,。

△廣島大學(xué)開發(fā)一種3D打印方法，使不銹鋼和鋁鍵能夠粘合

盡管鋼和鋁是支持經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)鍵材料,，但由于它們?nèi)酆蠀^(qū)的脆性,，至今仍未找到有效連接它們的方法。這項(xiàng)新的3D打印技術(shù)為克服這一挑戰(zhàn)邁出了關(guān)鍵一步,，將脆性區(qū)域縮小至不到兩微米,，成功地解決了汽車、航空航天和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域在這一領(lǐng)域面臨的重大問題,。

鋼和鋁在市場(chǎng)上一直是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,，尤其是在汽車制造領(lǐng)域。雖然鋼更堅(jiān)固且更經(jīng)濟(jì),，但鋁具有更好的強(qiáng)度重量比,。將它們成功結(jié)合，不僅可以在不影響結(jié)構(gòu)完整性的情況下減輕重量,，而且受到了汽車制造商的高度重視,，因?yàn)檫@是減少碳排放的一項(xiàng)關(guān)鍵步驟,。

然而，由于鋼和鋁的冶金特性不同,，傳統(tǒng)的熔合方法會(huì)形成脆性金屬間化合物（IMC）,，限制了它們的進(jìn)一步應(yīng)用。該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)研發(fā)一種整合了熱絲技術(shù),、二極管激光器和助焊劑的先進(jìn)3D打印方法,，成功地控制了不銹鋼和鋁接縫區(qū)域的IMC厚度。

該團(tuán)隊(duì)在7月份,，于新加坡濱海灣金沙會(huì)議中心舉行的國(guó)際焊接學(xué)會(huì)第76屆年會(huì)和焊接與連接國(guó)際會(huì)議期間,，展示了他們的研究結(jié)果。

△熱絲激光3D打印方法示意圖

如何實(shí)現(xiàn)鋼鋁混合

通過(guò)熱絲法,，研究人員將鋁合金加熱至接近其熔點(diǎn),，并將其沉積到熔池中。該激光照射池是不同金屬融合的局部區(qū)域,。

為了測(cè)試兩種焊劑涂抹方式,，他們采用了不同的鋁合金焊絲：實(shí)心焊絲和藥芯焊絲（FCW）。在第一個(gè)方案中,，將氯化物焊劑涂覆在15毫米（mm）奧氏體不銹鋼基板上,，使用無(wú)焊劑實(shí)心焊絲。在第二個(gè)例子中,，他們改用FCW作為助焊劑源，并保留基板裸露,。

該團(tuán)隊(duì)評(píng)估了不同的激光光斑尺寸和加工速度,，以確定哪種組合在激活助焊劑、最大限度地減少IMC形成以及實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確一致的打印方面表現(xiàn)最佳,。他們使用+15毫米的激光散焦距離獲得了最穩(wěn)定的珠形成,。任何超過(guò)此值的情況都會(huì)導(dǎo)致助焊劑過(guò)度預(yù)熔化，以及鋁塊在填充焊絲尖端聚集,，從而破壞焊珠的形成,。

此外，他們發(fā)現(xiàn),，當(dāng)打印速度設(shè)置為每分鐘一米時(shí),，低速建模效果最佳，可以將IMC減小至1-2微米,。

接下來(lái),，他們?cè)u(píng)估了激光功率對(duì)珠子外觀和IMC寬度的影響。在這些實(shí)驗(yàn)中,，該團(tuán)隊(duì)使用了1.5 m/min的固定處理速度,。他們發(fā)現(xiàn)激光功率設(shè)置對(duì)IMC厚度沒有顯著影響,，但它是珠形狀的一個(gè)因素。

4.7千瓦（kW）的激光功率太弱,，導(dǎo)致珠子中心出現(xiàn)缺陷,。然而，將其功率提升至6 kW的功率過(guò)高,，導(dǎo)致產(chǎn)生煙霧和珠子形狀不穩(wěn)定,。在5 kW和5.5 kW的最佳功率處解決了焊珠缺陷。

研究人員發(fā)現(xiàn),，激光光斑尺寸是激活不銹鋼底座上涂覆的助焊劑的一個(gè)因素,。同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)激光功率決定了FCW方法中熔池的大小,。

△高速圖像顯示鋁合金和不銹鋼3D打印方法

測(cè)試優(yōu)化校準(zhǔn)

根據(jù)他們的研究發(fā)現(xiàn),，該團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用了最佳組合，并采用助焊劑供應(yīng)方法制備了一個(gè)樣本,，用于測(cè)試?yán)�伸�?qiáng)度,。兩個(gè)樣本均由九層鋁組成，每層鋁的高度為12毫米,。研究人員在兩個(gè)樣品的后續(xù)層中都使用了實(shí)心線,。

通過(guò)優(yōu)化校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了不銹鋼和鋁的粘接,，平均可承受高達(dá)17404.5磅/平方英寸的分離應(yīng)力,。其間金屬間化合物（IMC）層也被抑制在小于兩微米的范圍內(nèi)。

在掃描電子顯微鏡下觀察樣本斷裂情況時(shí),，研究人員發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)鍵與弱鍵之間的區(qū)別,。需要最大力才能破裂的樣品顯示出存在韌窩，表明存在延性不穩(wěn)定性斷裂,。這種情況通常出現(xiàn)在高延展性材料中,，當(dāng)受到過(guò)度應(yīng)變時(shí)，這些材料更容易變形而非立即斷裂,。一旦無(wú)法承受更多的變形,，就會(huì)突然發(fā)生斷裂。

與此同時(shí),，強(qiáng)度最低的樣品呈現(xiàn)出顆粒狀,。通過(guò)能量色散X射線光譜分析，發(fā)現(xiàn)顆粒中存在氧化物和助熔劑元素,，例如鉀,、氟和碳。這表明弱鍵合是由于界面中焊劑和其他缺陷的截留所致,。

該小組表示,，他們希望這一新工藝能夠?qū)崿F(xiàn)不銹鋼和鋁合金的高強(qiáng)度直接連接,，從而有助于創(chuàng)造創(chuàng)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和革命性的產(chǎn)品性能改進(jìn)。
這一技術(shù)突破為行業(yè)帶來(lái)了新的可能性,，為未來(lái)的發(fā)展鋪平了道路,。其在解決鋼鋁材料連接問題上的巨大潛力，將為工程界帶來(lái)革命性的影響,，促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步和發(fā)展,。