采用电子束粉末床熔融技术对304不锈钢/AlSi10Mg合金进行双金属材料增材制造：控制界面微观结构与结合强度

《Journal of Materials Science & Technology》：Bimetallic additive manufacturing of 304 stainless steel/AlSi10Mg by electron beam powder bed fusion: Controlling interfacial microstructure and bonding strength

　　

崔雨洁|王浩|山中健太|藤田忠|吴周|刘晨轩|陈雨生|边华康|雷宇超|青柳健太|千叶昭彦

北京科技大学先进材料加工重点实验室（教育部），中国北京100083

摘要

粉末床熔融增材制造技术在制造具有复杂几何形状和定制界面特性的多材料结构方面具有显著优势。在本研究中，采用电子束粉末床熔融（EB-PBF）技术制备了304不锈钢（304SS）/AlSi10Mg异种金属复合材料。应用支持向量机（SVM）模型优化了EB-PBF工艺参数，以生产缺陷最小且机械性能良好的304SS和AlSi10Mg组件。系统研究了扫描速度对脆性金属间化合物形成以及钢/铝界面结合强度的影响。较低的扫描速度促进了Al₅Fe₂和Al₁₃Fe₄等金属间相的形成，从而降低了界面结合强度。与激光粉末床熔融相比，EB-PBF产生的再熔化区域更小，金属间化合物的界面层更薄，从而增强了304SS与AlSi10Mg之间的结合强度。本研究强调了一种通过选择合适的增材制造技术和优化工艺参数来制备异种金属复合材料的有前景策略。

引言

随着航空航天和汽车工程等高端制造行业的快速发展，对多材料应用的需求持续增长[[1], [2], [3], [4]]。在各种材料系统中，Fe-Al体系由于具有优异的比强度和低成本[[5], [6], [7], [8]]，在轻量化设计方面具有巨大潜力。在汽车行业中，Fe-Al结构部件能够在保持良好机械性能和耐腐蚀性的同时减轻整车重量[9]。

传统的制造方法，包括焊接[[10], [11], [12], [13]]和粉末冶金[[14], [15], [16]]，常用于连接异种材料。然而，Fe和Al之间的较差物理和化学相容性会导致形成脆性的金属间化合物（IMCs），如η-Al₅Fe₂和θ-Al₁₃Fe₄[[17], [18], [19]]，从而导致界面脆化和结合强度降低[20,21]。相比之下，先进的粉末床熔融增材制造（AM）技术[2,22]，特别是电子束粉末床熔融（EB-PBF）和激光粉末床熔融（L-PBF）[23]，提供了更高的设计灵活性，并能够制造具有定制界面的多材料结构[[24], [25], [26]]。值得注意的是，这两种工艺在大气和热历史方面存在显著差异[27]：EB-PBF在高真空环境下进行，通过束流诱导预热来维持较高的构建温度，减少热梯度和残余应力[[28], [29], [30]]，而L-PBF则涉及较低的基材温度和快速冷却，导致较高的拉伸残余应力。鉴于Fe/Al界面反应对热量输入的强烈依赖性，在铝沉积过程中精确控制能量输入对于抑制过度形成的IMCs至关重要，这也促使了本研究采取了高扫描速度策略。

先前的研究强调了Fe/Al AM面临的一些挑战。Demir等人[31]报告称，L-PBF制造的Fe/Al-12Si组件出现了广泛的裂纹，这归因于有限的相互溶解度和IMCs的形成。Nguyen等人[32]进一步表明，增加激光能量密度会增厚金属间层，从而降低界面结合强度。已经探索了多种AM技术，包括定向能量沉积（DED）[33]、线弧AMg[1,34]和L-PBF[35]用于钢/铝结构；然而，脆性Fe–Al IMCs的形成和界面裂纹仍然是一个持续存在的挑战。尽管分级界面设计可以缓解宏观缺陷[36]，但FeAl、Al₅Fe₂和Al₁₃Fe₄等相仍不可避免地会形成，因此需要有效调控IMC形成并改善界面机械性能的策略。

在这些技术中，L-PBF已经显示出在碳钢/Al3Si1Mn系统中实现冶金结合的能力。然而，其固有的陡峭热梯度和快速固化往往会导致高残余应力、熔池不稳定和不可控制的界面反应，进而促进界面裂纹并限制接头强度[37,38]。这些限制推动了改进热管理的替代AM方法的探索。在这方面，EB-PBF在真空条件下操作并能够实现受控制的预热，可以有效降低残余应力[[39], [40], [41]]，使其成为制造具有增强界面结合的Fe/Al多材料结构的有前景途径。

本研究专注于制备具有可控界面结合的高密度钢/铝组件。使用EB-PBF工艺，系统研究了304不锈钢/AlSi10Mg异种接头，清晰地识别和分析了界面处的相组成、形态和空间分布。阐明了EB-PBF条件下Fe/Al界面反应与工艺参数之间的内在关系。基于这些见解，提出了一种通过协同调节预热和能量输入以及减轻脆性IMC形成来抑制界面缺陷的有效策略。与L-PBF的比较分析进一步建立了选择和控制工艺窗口的可转移指南，为可靠的双金属结构增材制造提供了理论和实践参考。

章节片段

样品制备

在本研究中，选择304SS和AlSi10Mg粉末作为原料。304SS粉末通过等离子旋转电极法（PREP）（JAMPT Corporation，日本）制备，而AlSi10Mg合金粉末则通过盘式雾化法（DA）（Toyo Aluminum KK，日本）生产。304SS和AlSi10Mg粉末的形态和粒度分布见补充材料中的图S1。这两种粉末都呈现出较高的球形度，适合用于EB-PBF

在优化工艺参数下EB-PBF制造的304SS和AlSi10Mg合金的微观结构和机械性能

采用了一种优化策略来确定适当的工艺参数，包括束流电流和扫描速度。图1展示了为304SS和AlSi10Mg合金构建的基于SVM的工艺图，以确定最佳工艺条件。图1中的等高线图表示了在不同工艺参数下的决策函数分布。工艺图是根据电流和扫描速度构建的。

讨论

钢-铝双金属结构中的界面相演变受合金化学成分、有效能量输入、再熔化深度和凝固动力学的影响[44]。在传统的焊接过程中，Fe-Al IMCs（如FeAl、Al₅Fe₂和Al₁₃Fe₄）容易在界面形成[11]。随着凝固速率的提高，共晶Al-Al₁₃Fe₄的形成变得优先于粗大的初级Al₁₃Fe₄，而粉末床熔融过程特有的极快冷却速率进一步

结论

系统研究了扫描速度和AM方法对脆性IMCs形成以及钢/铝合金界面结合强度的影响。与L-PBF相比，EB-PBF产生的IMCs界面层更薄，从而增强了304SS和AlSi10Mg合金之间的结合强度。主要发现总结如下：

(1)

通过使用SVM优化EB-PBF参数，分别制备了高质量的304SS和AlSi10Mg部件

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来提高语言的清晰度和可读性。使用该工具后，作者根据需要审查并编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

CRediT作者贡献声明

崔雨洁：写作——原始草稿、验证、数据整理、概念化、资金获取、研究、项目管理。王浩：写作——审稿与编辑、方法论。山中健太：写作——审稿与编辑、监督。藤田忠：写作——审稿与编辑。吴周：写作——审稿与编辑、研究。刘晨轩：写作——审稿与编辑、验证。陈雨生：研究。边华康：研究。雷宇超：研究。青柳健太：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52571031和22FAA034258）的财务支持。