《Materials Science and Engineering: A》：Dissimilar joining of stainless steel 316L and Nimonic 90 using wire arc additive manufacturing
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研究采用激光增材制造（WAAM）技术，通过两种沉积策略（层叠沉积和同步沉积）制备316L不锈钢与 Nimonic 90镍基合金异种金属接头。微观分析表明两种策略均实现无缺陷冶金结合，但同步沉积接头因形成钛碳化物析出物和更宽过渡区，其显微硬度提升22%，抗拉强度达580 MPa，界面晶格连续性优于层叠沉积。研究揭示了梯度固溶强化与析出物协同作用对异种金属接头性能提升机制。
S. Razzaq|B.S. Dong|Z.X. Pan|S. Primig|N. Haghdadi|H. Li|B. Wu|S.P. Ringer|X.Z. Liao
澳大利亚悉尼大学航空航天、机械与机电工程学院微镜与微分析中心，新南威尔士州2006
摘要
通过增材制造连接的不同金属可以使用熔焊技术替代传统生产方式制造的不同部件，从而防止后处理过程中机械性能的局部退化。近年来，电弧丝材增材制造（WAAM）因其高沉积速率而受到欢迎，这种技术能够生产出接近净形状的大型部件，从而减少了制造时间和成本。WAAM的加工参数和沉积策略对材料的机械性能有显著影响；然而，这些影响尚未得到充分理解。在本研究中，使用WAAM制造了由316L不锈钢（SS）和Nimonic 90（一种NiCrCo基合金）组成的结构部件。采用了两种连接策略：一种是先将一种材料沉积在另一种材料上（类型I），另一种是在同一层上同时打印两种材料（类型II）。微观结构分析和机械性能测试表明，这两种方法都形成了冶金结合良好的界面，没有裂纹、孔隙或缺乏熔合等缺陷。Fe-Ni的混合形成了Fe-Ni固溶体梯度，增强了界面强度。电子背散射衍射分析显示，由于两种材料的晶体结构和晶格参数相似，界面处实现了连续的晶体生长。类型II样品的界面硬度更高，这是由于形成了碳化钛沉淀物和更宽的过渡区。拉伸测试进一步表明，由于微观结构的互锁作用，类型II界面的机械性能更优越。
引言
不同金属的连接在现代工程应用中是一项关键技术，因为它能够结合具有互补性能的材料，提供诸如设计灵活性提高、重量减轻、成本效益提升和性能改善等优势[1]。这种方法在航空航天、核能和化学加工等领域特别有价值，在这些领域中，结构部件通常需要同时具备高温强度、耐腐蚀性和机械稳定性[2]、[3]、[4]。
在用于不同金属连接的常见材料中，镍基超合金和奥氏体不锈钢尤为突出。镍基超合金（如Nimonic 90）以其优异的蠕变抗力和高温机械强度而闻名，使其成为燃气轮机、飞机发动机和核反应堆部件的理想选择[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。奥氏体不锈钢（包括316L不锈钢）在中等高温下具有出色的耐腐蚀性和机械稳定性，广泛应用于蒸汽发电厂、化学加工装置和核反应堆[11]、[12]、[13]、[14]。将它们组合用于重整塔和轻水核反应堆等部件中，使工程师能够在不同的热和机械条件下优化性能[15]、[16]。
尽管这些材料具有互补性能，但连接它们仍然存在重大挑战。传统的熔焊技术（如气体金属弧焊[17]、钨极惰性气体焊[18]和药皮焊条电弧焊[19]）由于高热输入和热膨胀系数不匹配，常常会导致脆性金属间化合物（IMCs）的形成、较大的热影响区（HAZs）以及界面裂纹[20]、[21]、[22]。镍基合金特别容易发生热裂纹，因此需要焊后热处理[23]。钎焊是一种替代方案，但会引入成分变化，并且对复杂几何形状的制造要求较高[24]。此外，由于Nimonic 90的硬度高、导热性低和快速加工硬化，对其进行机械加工非常困难[25]。
为了解决这些限制，增材制造（AM），特别是定向能量沉积（DED）技术已成为一种有前景的解决方案。DED能够实现接近净形状的生产和空间材料变化，无需大量机械加工或填充金属即可制造复杂的异种结构[26]、[27]、[28]。电弧丝材增材制造（WAAM）和激光工程净成形等技术已成功应用于直接或通过梯度层制造异种部件[29]、[30]、[31]。
WAAM与传统焊接的不同之处在于它通过控制热输入逐层构建部件，从而更好地管理热量并最小化IMC的形成和HAZ的大小。这种渐进的沉积策略可以精确控制材料放置和冷却速率，从而优化冶金不兼容性并促进有利的扩散过程[32]。通过调整沉积顺序和层间冷却，WAAM可以抑制脆性相的形成并增强界面结合，特别适合连接具有不同热和冶金性能的合金，如316L不锈钢和Nimonic 90[33]、[34]、[35]。
最近的研究表明，沉积策略显著影响界面微观结构和机械性能。例如，Tian等人[36]发现，在Ti-6Al-4V和Al-6.25Cu的WAAM连接中，沉积顺序影响了IMC层的厚度和拉伸强度。首先沉积Ti会产生一层薄（约10 μm）的TiAl3富集层，强度较高（113 MPa），而首先沉积Al则会产生一层较厚（约100 μm）的IMC层，其中含有孔隙且强度较低（37 MPa）。同样，Chueh等人[37]发现，在CuZr/316L不锈钢的多材料打印中，沉积顺序和材料重叠影响了界面质量。首先沉积CuZr可以减少裂纹和孔隙，而首先打印316L则由于热梯度和热膨胀系数（CTE）不匹配导致严重的裂纹。这些发现强调了沉积策略在控制微观结构演变和机械完整性方面的重要性。
交织沉积策略也显示出增强界面强度的潜力。例如，通过WAAM采用交织方法制造的钢-镍双金属部件表现出超过任一基材的界面强度，这归因于互锁的微观结构和固溶体强化[30]、[38]。然而，对于316L不锈钢/Nimonic 90组合，传统分层沉积和并排边界配置之间的系统比较仍然有限。这类研究对于理解界面强化机制和指导高性能异种金属结构的设计至关重要。
焊接镍基超合金时的一个关键考虑因素是它们倾向于形成脆性相，如α-铬沉淀物和富Nb的Laves相，这些相会降低焊接性和机械性能[39]。为了缓解这一问题，本研究使用了不含Nb的Nimonic 90合金，从而避免了Laves相的形成并提高了界面机械性能。
本研究探讨了使用WAAM制造316L不锈钢/Nimonic 90异种部件的可行性。系统比较了不同的沉积策略，并评估了它们对微观结构和机械性能的影响。通过电子显微镜进行了全面的表征，分析了凝固模式、元素分布和界面特征。通过显微硬度和拉伸测试以及断裂表面分析评估了机械性能。这些发现有助于深入理解增材制造中的界面工程，并为使用WAAM优化不同金属连接提供了见解。
实验程序
本研究采用了KEMPPI MaterTig MLS 3000气体钨弧焊设备作为沉积过程的电源。为了制造双合金系统，在焊枪上安装了两个独立的送丝喷嘴，一个用于316L不锈钢，另一个用于Nimonic 90。所选的基底是5毫米厚的DH36级低碳钢板，该钢板具有优异的焊接性，有助于确保初始层的稳定沉积。本研究重点准备了两个...
类型I样品的微观结构
图2展示了316L不锈钢/Nimonic 90界面（以下简称Fe/Ni界面）的SEM BSE显微图及其相应的元素分布图。图2(a)中界面清晰可见，没有裂纹和孔隙等焊接缺陷。图2(b)-2(f)展示了界面的详细元素分布图。Nimonic 90富含Ni和Co，而316L不锈钢富含Fe...
结论
通过WAAM成功实现了Nimonic 90和316L不锈钢的不同金属连接，采用了两种不同的方法。类型I是通过直接将316L不锈钢和Nimonic 90层堆叠在一起形成的直线界面；类型II则采用了交错层策略，形成了锯齿形界面。随后进行了微观结构分析和机械性能评估，实验的关键发现总结如下：
1.不同...
作者贡献声明
Samia Razzaq：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，数据管理。
Bosheng Dong：撰写初稿，数据管理。
Zengxi Pan：资金获取。
Sophie Primig：写作 – 审稿与编辑。
Nima Haghdadi：写作 – 审稿与编辑。
Huijun Li：写作 – 审稿与编辑，监督，概念构思。
Bintao Wu：概念构思。
Simon Peter Ringer：写作 – 审稿与编辑，监督。
Xiaozhou Liao：写作 – 审稿与编辑，监督，资金获取。
数据可用性
本文描述的研究没有使用任何数据。
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Xiaozhou Liao报告称获得了澳大利亚研究委员会的财务支持。Simon Peter Ringer报告称获得了AUSMURI的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢Sydney Microscopy and Microanalysis（SMM）提供的科学和技术支持。SMM是悉尼大学的核心研究设施，也是Microscopy Australia（ROR: 042mm0k03）的基础节点，该机构得到了澳大利亚政府国家协作研究基础设施计划的支持。该项目还得到了澳大利亚-美国多学科大学研究计划（AUSMURI）（3Dadditive.com.au）的支持。
