新的3D打印方法創(chuàng)造了高強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)研究團隊成功地開發(fā)出一項創(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）材料進行粘合，它的分離應(yīng)力高達每平方英寸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)濟增長的關(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。

鋼和鋁在市場上一直是競爭對手，尤其是在汽車制造領(lǐng)域。雖然鋼更堅固且更經(jīng)濟，但鋁具有更好的強度重量比。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，因為這是減少碳排放的一項關(guān)鍵步驟。

然而，由于鋼和鋁的冶金特性不同，傳統(tǒng)的熔合方法會形成脆性金屬間化合物（IMC），限制了它們的進一步應(yīng)用。該研究團隊通過研發(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。

該團隊在7月份，于新加坡濱海灣金沙會議中心舉行的國際焊接學(xué)會第76屆年會和焊接與連接國際會議期間，展示了他們的研究結(jié)果。

△熱絲激光3D打印方法示意圖

如何實現(xiàn)鋼鋁混合

通過熱絲法，研究人員將鋁合金加熱至接近其熔點，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。

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

該團隊評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形成以及實現(xiàn)準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。任何超過此值的情況都會導(dǎo)致助焊劑過度預(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)，當打印速度設(shè)置為每分鐘一米時，低速建模效果最佳，可以將IMC減小至1-2微米。

接下來，他們評估了激光功率對珠子外觀和IMC寬度的影響。在這些實驗中，該團隊使用了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IMC厚度沒有顯著影響，但它是珠形狀的一個因素。

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因素。同時，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

測試優(yōu)化校準

根據(jù)他們的研究發(fā)現(xiàn)，該團隊應(yīng)用了最佳組合，并采用助焊劑供應(yīng)方法制備了一個樣本，用于測試拉伸強度。兩個樣本均由九層鋁組成，每層鋁的高度為12毫米。研究人員在兩個樣品的后續(xù)層中都使用了實心線。

通過優(yōu)化校準，實現(xiàn)了不銹鋼和鋁的粘接，平均可承受高達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，研究人員發(fā)現(xiàn)了強鍵與弱鍵之間的區(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，當受到過度應(yīng)變時，這些材料更容易變形而非立即斷裂。一旦無法承受更多的變形，就會突然發(fā)生斷裂。

與此同時，強度最低的樣品呈現(xiàn)出顆粒狀。通過能量色散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度直接連接，從而有助于創(chuàng)造創(chuàng)新的產(chǎn)品設(shè)計和革命性的產(chǎn)品性能改進。
這一技術(shù)突破為行業(yè)帶來了新的可能性，為未來的發(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，將為工程界帶來革命性的影響，促進相關(guān)領(lǐng)域的進步和發(fā)展。