氧化铝调控电弧定向能量沉积制备不锈钢-铝双金属界面Fe-Al金属间化合物的机理研究及其性能优化

本研究针对不锈钢(SS)-铝(Al)双金属界面脆性Fe-Al金属间化合物(IMC)导致的界面失效问题，通过电弧定向能量沉积(WA-DED)技术系统探究了氧化铝(Al2O3)掺杂对界面IMC层厚度、微观结构和力学性能的影响机制。研究发现氧化铝分解产生的氧元素通过调控熔池马兰戈尼力和浮力，形成FeAl/Fe2Al5/FeAl3三层纳米晶IMC结构，并首次在该体系中发现反常Hall-Petch关系，为高性能SS-Al双金属结构制备提供了理论依据和技术支撑。

　　

在航空航天、船舶制造和汽车工业等领域，不锈钢(SS)和铝(Al)的复合结构因其兼具SS的耐腐蚀性和Al的轻量化优势而备受关注。然而，传统焊接工艺制备的SS-Al双金属结构存在一个致命缺陷：界面处会形成脆性的铁-铝金属间化合物(IMC)，如Fe₂Al₅和FeAl₃，这些IMC就像隐藏在材料中的"定时炸弹"，极易引发界面开裂，严重制约了双金属结构的工程应用。虽然已有研究尝试通过添加镍(Ni)或铜(Cu)中间层来改善界面性能，但效果有限且工艺复杂。更棘手的是，现有研究多集中在平板基材上，而实际工程中需要的复杂三维结构制备仍面临巨大挑战。

针对这一难题，国内某研究机构的研究人员创新性地提出利用电弧定向能量沉积(WA-DED)这一金属增材制造技术，通过在SS-Al界面掺杂氧化铝(Al₂O₃)来调控界面IMC的生长行为。他们采用系统实验与理论分析相结合的方法，深入探究了氧化铝含量(20/30/40 mg/mm)对界面微观结构演变和力学性能的影响机制，相关成果发表在《Journal of Materials Science》上。

研究团队运用了多项关键技术：采用六自由度机械臂搭载MIG-DED系统进行SS-Al薄壁结构沉积；通过SEM-EDX和EBSD分析界面微观结构和元素分布；利用TEM观察IMC纳米结构；采用纳米压痕仪测试IMC力学性能；通过拉伸试验评估界面强度。特别值得注意的是，研究人员创新性地将氧化铝粉末与丙酮混合后均匀涂覆在SS表面，再沉积Al层，实现了界面氧化铝含量的精确调控。

研究结果揭示了多个重要发现：

1. SEM和EDX分析显示氧化铝分解产生元素氧和氧气泡，氧气含量随氧化铝添加量增加而升高(1.193→1.673 wt.%)，显著影响IMC层厚度(3.7→8.1 μm)和形貌。
2. EBSD分析首次发现界面形成FeAl/Fe₂Al₅/FeAl₃三层IMC结构，其中Fe₂Al₅层厚度随氧化铝含量增加而显著增长。
3. TEM观察证实20 mg/mm样品中Fe₂Al₅呈现等轴纳米晶(77.69 nm)，FeAl₃为胞状结构(52.68 nm)，氧气泡抑制了IMC生长。
4. 纳米压痕测试发现反常Hall-Petch关系：IMC硬度随晶粒尺寸增大而提高，Fe₂Al₅硬度从8.54 GPa增至8.80 GPa。
5. 拉伸测试表明20 mg/mm样品界面强度最佳(UTS≈60 MPa)，但随氧化铝含量增加，界面脆性加剧。

研究团队通过热力学计算和熔池力学校析，提出了氧化铝作用机理：氧化铝分解产生的氧气泡在熔池中受到马兰戈尼力(Marangoni force)和浮力(buoyancy force)的共同作用。在低氧化铝含量(20 mg/mm)时，较强的马兰戈尼力将气泡推向生长中的IMC层，抑制其增厚；而高含量(40 mg/mm)时，增强的浮力减弱了这种抑制作用，导致IMC层增厚。同时，气泡溃灭产生的压力波促使IMC纳米晶形成，解释了反常Hall-Petch关系。

这项研究的意义在于：首次系统阐明了氧化铝在SS-Al双金属界面IMC形成中的调控机制，发现了界面IMC的反常Hall-Petch关系，为开发高性能SS-Al双金属结构提供了新思路。特别是提出的"氧化铝掺杂+WA-DED"技术路线，突破了传统焊接方法在复杂结构制备上的局限，有望推动双金属材料在航空航天等领域的工程应用。研究揭示的熔池力学校应和纳米晶形成机制，也为其他双金属体系的界面设计提供了重要参考。