激光粉末床熔融制备AlSi10Mg/AA6061双金属构件的高温微观结构与力学性能研究

为解决传统焊接技术在铝合金异质连接中的缺陷问题，研究人员采用激光粉末床熔融(LPBF)技术将AlSi10Mg沉积于轧制AA6061-T651基板上，系统研究了双金属构件的界面特性、室温及高温(250°C)力学性能。通过SEM、EBSD、μ-CT等多尺度表征手段，证实了70μm厚无缺陷界面的形成机制，发现双金属力学行为始终由较弱合金主导，且热处理可显著提升延展性。该研究为航空航天、汽车等领域高温工况下的异质材料修复与多材料设计提供了新思路。

　　

铝合金因其轻量化、耐腐蚀等优势，在汽车发动机等高温部件中应用广泛。然而传统焊接技术如钨极氩弧焊(GTAW)和搅拌摩擦焊(FSW)存在热影响区软化、气孔等问题，而6000系(如AA6061)与增材制造常用AlSi10Mg的异质连接更具挑战。随着汽车减排需求激增，铝合金部件工作温度可达250°C，但现有研究多聚焦室温性能，高温下界面稳定性与失效机制尚不明确。

为突破这些技术瓶颈，某研究团队在《Materials》发表论文，创新性地采用激光粉末床熔融(LPBF)技术将AlSi10Mg打印至AA6061基板，通过扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)等技术表征界面特性，结合纳米压痕和高温拉伸试验(25-250°C)评估力学性能，并探究三种热处理(SR、T6及其组合)的影响。

3.1 界面特性
研究发现LPBF工艺通过马兰戈尼效应(Marangoni convection)形成70μm厚无缺陷界面。EBSD显示AlSi10Mg呈现沿构建方向生长的柱状晶(平均粒径12.5μm)，而AA6061为200μm以上粗大轧制晶粒。能谱(EDS)线扫描证实硅元素在界面区的梯度分布，揭示熔池流动导致的充分混合。

3.2 高温力学性能
室温下AlSi10Mg抗拉强度(377MPa)高于AA6061(309MPa)，但后者延展性更优(14% vs 4%)。温度升至250°C时，AlSi10Mg强度下降56%，显著高于AA6061的30%，导致断裂位置从AA6061侧(≤100°C)转向AlSi10Mg侧(≥150°C)。微CT显示250°C测试后孔隙率从0.08%增至0.3%。

3.3 热处理影响
T6处理使AlSi10Mg胞状结构解离为板状Si颗粒，AA6061析出新相。复合热处理(SR+T6)使双金属延伸率提升240%，但强度降低。纳米硬度测试显示界面硬度始终介于两合金之间，T6处理后差异最小。

4.2 力学性能讨论
对比传统焊接(接头效率47-78.5%)，LPBF实现100%效率的冶金结合。高温性能差异源于两合金强化机制：AlSi10Mg依赖亚微米胞状结构(<1μm)和Si网络，而AA6061依靠β''相析出强化。250°C时β''相未完全溶解，而AlSi10Mg因位错滑移阻力降低更快软化。

4.3 热处理机制
SR处理导致AA6061过时效(β''→β'相变)和AlSi10Mg胞壁破碎；T6处理引发AlSi10Mg中Si颗粒球化(Ostwald熟化)，而预SR处理通过减少形核位点产生更粗大Si颗粒，解释其最优延展性。

该研究证实LPBF可制备耐250°C的异质铝合金构件，界面强度超过母材。通过调控工艺参数与热处理，实现了强度-延展性的协同优化，为汽车发动机等高温部件的修复与多材料集成提供了可靠方案。研究还建立了微观组织-工艺-性能的关联模型，为其他难焊合金的增材制造提供理论指导。