基于AFSD的Al-Fe异种材料界面非晶相形成机制与强韧化研究

《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A-PHYSICAL METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE》：Interfacial Bonding Mechanism of Al–Fe Dissimilar AFSD Cladding Components

为解决传统Al-Fe异种材料连接中因金属间化合物(IMCs)导致接头脆性大、强度低的问题，研究人员开展了基于增材摩擦搅拌沉积(AFSD)的Al-Fe异种材料连接研究。结果表明，通过AFSD工艺在界面处成功制备了连续的非晶相，替代了脆性IMCs，使接头最大拉伸强度达到282 MPa，显著提升了Al-Fe复合结构的力学性能。

　　

在航空航天和汽车工业中，轻量化和高性能是永恒的主题。铝(Al)合金因其轻质、高比强度和优异的耐腐蚀性备受青睐，而钢(Fe)则以其高强度和良好的塑性成为工程领域的基石。将两者结合，制造出兼具铝的轻质耐腐蚀和钢的高强度的Al-Fe复合结构，是工程师们梦寐以求的目标。

然而，这段“联姻”之路却充满荆棘。传统的熔焊方法，如电弧焊或激光焊，由于铝和钢的熔点、热膨胀系数等物理性质差异巨大，极易在连接界面产生裂纹。更棘手的是，在高温下，铝和铁原子会相互扩散并反应，生成一系列脆性的金属间化合物(IMCs)，如Fe₄Al₁₃和Fe₂Al₅。这些IMCs就像连接处的“玻璃心”，在受力时极易成为裂纹源，导致接头强度急剧下降，通常难以超过160 MPa，远低于母材的强度。

为了绕开IMCs这个“拦路虎”，科学家们转向了固相连接技术，如搅拌摩擦焊(FSW)。这类技术通过摩擦生热和剧烈塑性变形实现连接，过程温度低于材料熔点，理论上能抑制IMCs的生长。虽然FSW确实能有效连接Al-Fe，但问题依然存在：界面处仍会形成约30纳米厚的IMC薄层，且过程中产生的钢屑会像“定时炸弹”一样引发裂纹。因此，如何彻底抑制IMCs的形成，并实现大面积、高质量的Al-Fe连接，成为该领域亟待攻克的核心难题。

为了回答这一难题，来自哈尔滨工业大学的QI WEN、LONG WAN和ZEYU ZHANG团队另辟蹊径，将目光投向了增材摩擦搅拌沉积(AFSD)技术。AFSD是一种新兴的固相增材制造技术，它通过一个中空的旋转工具将送进棒材摩擦沉积在基板上，逐层堆积形成三维结构。与传统的熔融增材制造相比，AFSD具有热输入低、组织致密、无气孔等优点，理论上非常适合Al-Fe这种易产生IMCs的异种材料连接。

研究人员利用AFSD技术，成功在1045钢基板上大面积沉积了AA2024-T4铝合金，制备出无缺陷的Al-Fe复合结构。他们通过系统的显微组织表征和力学性能测试，深入揭示了界面处的非晶相形成机制及其对连接强度的关键作用。该研究为制备高性能、大尺寸Al-Fe复合材料提供了一种全新的、颠覆性的技术路径。

关键技术方法

本研究主要采用了增材摩擦搅拌沉积(AFSD)技术，以AA2024-T4铝合金为送进棒材，在1045钢基板上进行大面积沉积。通过控制工具转速(200-500 rpm)和进给速度(100 mm/min)等工艺参数，制备了不同界面状态的Al-Fe复合样品。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电子显微镜(TEM)对界面微观结构、元素分布和晶体学特征进行了系统表征。通过室温拉伸试验评估了接头的力学性能，并结合热力学计算和扩散理论，深入分析了界面非晶相的形成与演化机制。

研究结果

1. 宏观形貌与界面结合

研究成功制备了尺寸为1300×1300 mm、厚度为2.5 mm的大面积Al-Fe复合结构，宏观形貌良好，无宏观缺陷。截面观察显示，铝层与钢基体结合紧密，无裂纹、孔洞等界面缺陷。EBSD分析表明，界面附近铝侧晶粒显著细化，平均晶粒尺寸约为5 μm，而钢基体晶粒尺寸约为20 μm。KAM图显示界面区域存在高应变，表明AFSD过程中的剧烈塑性变形导致了显著的晶粒细化。

2. 力学性能与断裂行为

拉伸测试结果表明，Al-Fe接头的力学性能与工具转速密切相关。当转速为300 rpm时，接头强度达到最大值282 MPa，且断裂位置位于铝侧而非界面，表明界面结合强度高于铝基体本身。随着转速增加，接头强度和延伸率均呈下降趋势。断口分析显示，所有样品均呈现典型的韧性断裂特征，断口表面布满韧窝，且随着转速增加，韧窝尺寸增大，表明材料在断裂前发生了显著的塑性变形。

3. 界面元素富集与非晶相形成

TEM分析揭示了界面处的关键微观结构。在300 rpm的优化参数下，界面处形成了一层厚度约10 nm的连续过渡层。元素分析(EDS)显示，该过渡层富含Al、Fe、Mg和O元素，且Mg和O在界面处显著富集。高分辨TEM(HR-TEM)和快速傅里叶变换(FFT)分析证实，该富集层为无定形结构，即非晶相。研究指出，界面处的高应变和晶粒细化促进了Al和Fe原子的快速互扩散，而Mg和O的富集则进一步稳定了非晶结构，抑制了脆性IMCs的形成。

4. 非晶相的演化机制

随着工具转速的增加，界面处的剪切应力增大。当应力超过非晶相的承载能力时，连续的10 nm非晶层会发生断裂，并聚集形成球状的q-glass结构。随着应力进一步增大，q-glass会进一步破碎成更细小的非晶颗粒，弥散分布在界面附近。这一演化过程解释了为何在非优化参数下，界面结合强度会下降。

结论与讨论

本研究通过AFSD技术成功实现了Al-Fe异种材料的大面积、高强度连接，其核心创新在于利用AFSD工艺在界面处诱导形成了一层连续的非晶相，而非传统连接方法中常见的脆性IMCs。这层非晶相具有优异的力学性能，能够有效阻止裂纹扩展，从而将接头强度提升至282 MPa，显著优于现有技术。

研究揭示了非晶相的形成与演化机制：首先，AFSD过程中的恒定应变和剧烈塑性变形导致界面晶粒显著细化，为原子快速扩散提供了通道，促进了Al和Fe的互扩散。其次，界面处Mg和O元素的富集，以及Fe含量的增加，共同降低了非晶相的形成焓，使其在热力学上比晶态IMCs更稳定。最后，AFSD工艺提供的恒定应变是形成连续非晶层的关键，它避免了因应变波动导致的非晶层断裂。

该研究不仅挑战了“Al-Fe连接必须形成IMCs”的传统认知，而且为制备大尺寸、高性能Al-Fe复合材料提供了一种全新的、颠覆性的技术方案，在航空航天、汽车轻量化等领域具有广阔的应用前景。