《Journal of Alloys and Compounds Communications》：Numerical and experimental investigation of zinc-coated Dual-Phase steel via friction stir processing
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Zn涂层双相钢780的摩擦搅拌加工（FSP）对耐腐蚀性和涂层完整性的影响研究。通过COMSOL Multiphysics 6.2建立三维有限元模型模拟热传导与Zn扩散，峰值温度660K（低于Zn熔点692K），验证FSP可控制Zn扩散而不熔化涂层。实验采用400rpm转速、40mm/min进给速度、0.5mm plunge深度，证实FSP使晶粒细化（显微硬度达基体93%），增强冶金结合，XRD和EBSD分析显示相变与微观结构演变，腐蚀电阻显著提高。
Md. Saifullah Azad Naim | Nashit Gaurav Rajeshbhai | Polash Kumar Deb | Sunita Murmu | Abhijith Sahadevan | Sunilkumar Dhasan
印度NIT Silchar机械工程系
摘要
通过数值模拟和实验验证，研究了摩擦搅拌处理对锌涂层双相钢780级材料的耐腐蚀性和涂层完整性的影响。使用COMSOL Multiphysics 6.2开发的有限元模型模拟了热传递和材料相互作用，结果显示峰值温度为660 K，随后稳定在560 K。这一受控的温度范围使得锌能够在不熔化的情况下扩散，从而保持了涂层的完整性。采用优化后的摩擦搅拌处理参数（400 rpm、40 mm/min和0.5 mm的插入深度）进行的实验研究表明，晶粒得到了显著细化，从而提高了材料的冶金结合性能。维氏硬度测试表明机械性能得到了提升，涂层接头处的显微硬度达到了基体金属硬度的93%，证实了处理后材料强度得到了有效增强且没有出现明显退化。X射线衍射分析揭示了相变情况，而光学显微镜观察确认锌涂层在双相钢表面保持完整且连续。电子背散射衍射技术进一步揭示了晶粒结构、晶体取向及错位情况，展示了涂层接头处及基体金属中部的微观结构演变。数值结果与实验结果之间的高度一致性证明了摩擦搅拌处理是一种有效的表面改性技术，显著提升了锌涂层双相钢在结构和工业应用中的耐用性和性能。
引言
780级双相（DP）钢是一种先进的高强度钢（AHSS），由于其优异的强度重量比和延展性，在汽车和航空航天工业中得到广泛应用[1]。其微观结构由铁素体基体与马氏体相组成，实现了强度和成形性的最佳平衡[2]。除了汽车领域，DP钢还用于建筑和结构加固领域，在这些应用中，耐腐蚀性对于材料的长寿命和可靠性至关重要[3]。特别是在高pH值环境（如混凝土孔隙液）中，耐腐蚀性尤为重要，因为这些环境会加速材料老化[2][4]。为了解决这一问题，人们经常采用锌涂层来提高AHSS的耐腐蚀性，因为锌兼具良好的强度和延展性[5]。然而，DP钢仍然容易发生腐蚀，因此需要保护涂层来增强其耐久性[6]。传统的防腐方法（如电镀、热喷涂和热浸镀锌）往往存在缺点，如冶金结合不良、附着力弱以及涂层不均匀等问题[5][6][7]。
摩擦搅拌处理（FSP）是一种先进的固态表面改性技术，通过细化微观结构和改善冶金结合来提升材料表面性能[8]。该技术与摩擦搅拌金属沉积（FDM）密切相关，后者常用于涂层应用[9]。最新研究表明，FSP通过细化晶粒能够提升涂层基体的机械性能和耐腐蚀性[10]。本研究通过数值模拟和实验验证相结合的方法，探讨了FSP对780级DP钢锌涂层的影响及可行性。利用COMSOL Multiphysics 6.2中的三维有限元模型（FEM）模拟了热分布和锌的扩散过程。通过对涂层样品进行X射线衍射（XRD）分析相组成、电子背散射衍射（EBSD）分析微观结构演变、维氏硬度测试评估机械性能以及电化学分析评估耐腐蚀性，对涂层DP钢的性能进行了全面表征。
材料与方法
摩擦搅拌处理是在一块尺寸为140 × 40 × 2 mm3的DP钢板上进行的，使用的涂层材料是厚度为1 mm的锌板。由于高强度合金在摩擦搅拌过程中工具磨损较快，因此工具材料的选择至关重要。本研究选用了肩部直径为16 mm、插入深度为0.5 mm的H30钢制工具，在室温条件下以400 rpm的速度和40 mm/min的行进速度进行加工。FSP的实验示意图见图1(a)。
结果与讨论
非消耗性工具的肩部产生的局部摩擦热引发了塑性变形，促进了锌层与DP钢基体之间的扩散驱动冶金结合。热分析（图1(b)、1(c)显示了FSP过程中的温度分布，峰值温度约为660 K，低于锌的熔点692 K，这表明锌层始终处于固态，确保了扩散驱动的结合过程。
结论
本研究成功利用摩擦搅拌处理（FSP）制备了锌涂层双相（DP）钢，有效提升了材料的表面完整性、机械性能和耐腐蚀性。有限元模型（FEM）准确预测了热分布，峰值温度为660 K，确保了锌的扩散过程在不过度熔化的情况下进行。实验结果还证实，锌涂层在DP钢表面均匀形成，且没有损害基体金属的机械性能。
作者贡献声明
Md. Saifullah Azad Naim： 起草初稿、实验研究。
Nashit Gaurav Rajeshbhai： 方法设计、数值模拟。
Polash Kumar Deb & Sunita Murmu： 实验操作、技术讨论。
Abhijith Sahadevan： 理论构思、技术讨论。
Sunilkumar Dhasan： 实验验证、文本修订与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
