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，可以促進混合材料組合在許多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，如燃氣輪機行業(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行了詳細的評價。

2. 試驗裝置
2．1． 材料準備和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，這幾乎相當于理想的固體基質(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行橫截面。樣品最初研磨至1200粒度，并用1和0.25研磨標準金相制備后的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)進行了表征。元素擴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
通過準靜態(tài)拉伸試驗和顯微硬度測試對接頭的機械性能進行了評價。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。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)合面擴散厚度的定量評價可知，NPL接頭和PL接頭的擴散厚度分別為1.3μm和1.9μm。在多孔層的PL接頭中，擴散厚度增加了約46%。值得注意的是，固相連接中擴散厚度的增加對應(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細化到2.6±2.4μm, AM-MS1的晶粒由4.4±6.0μm細化到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的分數(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的分數(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分數(shù)略高于NPL接頭的HAGBs分數(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的分數(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)均檢測到馬氏體分數(shù)顯著增加，這可以從IQ值小于5000的分數(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圖和面積分數(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載。結(jié)果表明，多孔層還顯著增加了擴散厚度，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?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
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