新的3D打印方法创造了高强度不锈钢和铝合金混合材料

2023年11月15日，南极熊获悉，广岛大学研究团队成功地开发出一项创新的3D打印技术。该技术能够高效地将不锈钢（SUS304）和铝（A5183）材料进行粘合，它的分离应力高达每平方英寸17404.5磅。

△广岛大学开发一种3D打印方法，使不锈钢和铝键能够粘合

尽管钢和铝是支持经济增长的关键材料，但由于它们熔合区的脆性，至今仍未找到有效连接它们的方法。这项新的3D打印技术为克服这一挑战迈出了关键一步，将脆性区域缩小至不到两微米，成功地解决了汽车、航空航天和基础设施领域在这一领域面临的重大问题。

钢和铝在市场上一直是竞争对手，尤其是在汽车制造领域。虽然钢更坚固且更经济，但铝具有更好的强度重量比。将它们成功结合，不仅可以在不影响结构完整性的情况下减轻重量，而且受到了汽车制造商的高度重视，因为这是减少碳排放的一项关键步骤。

然而，由于钢和铝的冶金特性不同，传统的熔合方法会形成脆性金属间化合物（IMC），限制了它们的进一步应用。该研究团队通过研发一种整合了热丝技术、二极管激光器和助焊剂的先进3D打印方法，成功地控制了不锈钢和铝接缝区域的IMC厚度。

该团队在7月份，于新加坡滨海湾金沙会议中心举行的国际焊接学会第76届年会和焊接与连接国际会议期间，展示了他们的研究结果。

△热丝激光3D打印方法示意图

如何实现钢铝混合

通过热丝法，研究人员将铝合金加热至接近其熔点，并将其沉积到熔池中。该激光照射池是不同金属融合的局部区域。

为了测试两种焊剂涂抹方式，他们采用了不同的铝合金焊丝：实心焊丝和药芯焊丝（FCW）。在第一个方案中，将氯化物焊剂涂覆在15毫米（mm）奥氏体不锈钢基板上，使用无焊剂实心焊丝。在第二个例子中，他们改用FCW作为助焊剂源，并保留基板裸露。

该团队评估了不同的激光光斑尺寸和加工速度，以确定哪种组合在激活助焊剂、最大限度地减少IMC形成以及实现准确一致的打印方面表现最佳。他们使用+15毫米的激光散焦距离获得了最稳定的珠形成。任何超过此值的情况都会导致助焊剂过度预熔化，以及铝块在填充焊丝尖端聚集，从而破坏焊珠的形成。

此外，他们发现，当打印速度设置为每分钟一米时，低速建模效果最佳，可以将IMC减小至1-2微米。

接下来，他们评估了激光功率对珠子外观和IMC宽度的影响。在这些实验中，该团队使用了1.5 m/min的固定处理速度。他们发现激光功率设置对IMC厚度没有显着影响，但它是珠形状的一个因素。

4.7千瓦（kW）的激光功率太弱，导致珠子中心出现缺陷。然而，将其功率提升至6 kW的功率过高，导致产生烟雾和珠子形状不稳定。在5 kW和5.5 kW的最佳功率处解决了焊珠缺陷。

研究人员发现，激光光斑尺寸是激活不锈钢底座上涂覆的助焊剂的一个因素。同时，他们发现激光功率决定了FCW方法中熔池的大小。

△高速图像显示铝合金和不锈钢3D打印方法

测试优化校准

根据他们的研究发现，该团队应用了最佳组合，并采用助焊剂供应方法制备了一个样本，用于测试拉伸强度。两个样本均由九层铝组成，每层铝的高度为12毫米。研究人员在两个样品的后续层中都使用了实心线。

通过优化校准，实现了不锈钢和铝的粘接，平均可承受高达17404.5磅/平方英寸的分离应力。其间金属间化合物（IMC）层也被抑制在小于两微米的范围内。

在扫描电子显微镜下观察样本断裂情况时，研究人员发现了强键与弱键之间的区别。需要最大力才能破裂的样品显示出存在韧窝，表明存在延性不稳定性断裂。这种情况通常出现在高延展性材料中，当受到过度应变时，这些材料更容易变形而非立即断裂。一旦无法承受更多的变形，就会突然发生断裂。

与此同时，强度最低的样品呈现出颗粒状。通过能量色散X射线光谱分析，发现颗粒中存在氧化物和助熔剂元素，例如钾、氟和碳。这表明弱键合是由于界面中焊剂和其他缺陷的截留所致。

该小组表示，他们希望这一新工艺能够实现不锈钢和铝合金的高强度直接连接，从而有助于创造创新的产品设计和革命性的产品性能改进。
这一技术突破为行业带来了新的可能性，为未来的发展铺平了道路。其在解决钢铝材料连接问题上的巨大潜力，将为工程界带来革命性的影响，促进相关领域的进步和发展。