镍元素调控铝/钢异质接头界面微观结构及强度提升机制的多模态分析

为解决铝/钢异质接头因脆性金属间化合物层(IML)导致的强度下降问题，研究人员通过添加镍(Ni)元素开展界面调控研究。通过GTAW(钨极惰性气体保护焊)工艺制备接头，结合FIB-SEM(聚焦离子束-扫描电镜)三维重构和纳米压痕等技术，发现Ni虽增加IML厚度但形成致密结构，减少α-Fe夹杂和孔洞，使接头强度提升138%。该研究为多材料轻量化结构设计提供了新思路。

　　

在汽车轻量化和减排需求驱动下，铝(Al)合金与钢的多材料复合结构成为研究热点。然而，铝/钢异质连接面临核心难题：界面处形成的脆性金属间化合物层(IML)——主要由Fe₂
Al₅
(η)和Fe₄
Al₁₃
(θ)相组成，其低断裂韧性(K_IC
=0.35–1.07 MPa·m^1/2
)成为裂纹扩展的优先路径。传统研究认为减少IML厚度可提升强度，但日本东京大学的研究团队通过添加镍(Ni)发现反常现象：IML增厚反而使强度提升138%，这一突破性发现发表于《Materials》。

研究采用气体钨极电弧焊(GTAW)连接AA1050纯铝/Al-3.9at.%Ni合金与低碳钢，通过三维FIB-SEM层析成像技术重构IML空间结构，结合EBSD(电子背散射衍射)分析晶体取向，并运用纳米压痕测试局部力学性能。关键创新在于首次系统揭示了Ni通过改变IML形貌而非厚度来提升强度的机制。

3.1 拉伸剪切强度
对比实验显示，AlNi接头强度达69 MPa，较纯铝接头(29 MPa)提升138%，且断裂均发生在IML内部，表明界面性能起决定性作用。

3.2 界面微观结构
镍促使形成致密IML：α-Fe夹杂面积分数从43%(Al)降至20%(AlNi)，且通过TEM确认新生成Al₉
FeNi(τ₁
)相。FIB-SEM三维重建显示，AlNi试样中α-Fe仅分布在近钢侧，而纯铝接头中贯穿整个IML。

3.4 孔洞形成机制
在α-Fe/η相界面发现的FeAl(β)相是Kirkendall孔洞的起源位点。EBSD显示α-Fe区域存在高密度小角度晶界(LAGB)，加速Fe扩散并促进孔洞生长。镍通过减少α-Fe夹杂，显著抑制孔洞形成。

3.6 力学性能
纳米压痕测得η相硬度(11.8-12.3 GPa)和断裂韧性(1.6-1.7 MPa·m^0.5
)不受Ni影响，证实强度提升源于微观结构优化而非本征性能改变。

该研究颠覆了"IML厚度决定强度"的传统认知，提出"致密化界面设计"新策略。通过Ni调控IML形貌，减少α-Fe夹杂和孔洞缺陷，使裂纹扩展路径迂回度增加。这对汽车轻量化中铝/钢可靠连接具有重要指导意义，为开发新型合金化元素改性技术提供了理论依据。未来可进一步研究Ni对IML生长动力学的原子尺度影响，以及τ₁
相对界面性能的独立贡献。