《Materials Science and Engineering: A》：Regulation and Formation Mechanism of Interface in Magnetic Field-Assisted Al/316L Stainless Steel Bimetallic Composite
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摘要在实现有效的铝/钢冶金结合的同时抑制金属间化合物（IMCs）的过度生长，对于高性能双金属复合材料至关重要。本文提出了一种磁场辅助的铝/钢双金属复合铸造方法，该方法基于低温预热、电磁搅拌（EMS）和快速冷却的协同控制，研究了不同预热温度、保温温度和保温时间对接面IMCs形貌
摘要
在实现有效的铝/钢冶金结合的同时抑制金属间化合物（IMCs）的过度生长，对于高性能双金属复合材料至关重要。本文提出了一种磁场辅助的铝/钢双金属复合铸造方法，该方法基于低温预热、电磁搅拌（EMS）和快速冷却的协同控制，研究了不同预热温度、保温温度和保温时间对接面IMCs形貌和厚度的影响。为阐明磁场作用的机理，本文在最优保温和预热温度下还进行了无磁场对比实验。结果表明，磁场产生的电磁搅拌具有两种功能。首先，它使IMCs变薄，降低IMCs的生长速率，并改变其单调生长模式。其次，电磁搅拌与低温预热的协同效应可以抑制絮状IMCs层的形成。随着保温温度升高，IMCs厚度增加。在保温温度为670°C时，当预热温度从650°C降至350°C时，IMCs从致密絮状结构转变为致密层状结构。保温时间为20秒时，IMCs厚度从约10 μm减小到约4 μm，降幅超过50%。在预热温度为350°C、保温温度为670°C、保温时间为10秒的条件下，铝/316L界面处形成了厚度为3.47 μm的超薄致密IMCs，这些IMCs完全由单一Fe4Al13相组成。拉伸强度达到48.5 MPa，断裂仅发生在铝基体一侧。
引言
铝/钢复合材料将铝合金的轻量化、高导热性和耐腐蚀性与钢的优异力学性能相结合[1]，使其在汽车、航空航天等行业具有广阔的应用前景。然而，铝和铁的晶格类型和化学性质差异显著，容易形成硬而脆的铝-铁金属间化合物（IMCs）[2,3]。此外，两者热膨胀系数差异巨大，导致界面处产生较大的残余应力，严重影响铝/钢界面的结合性能[4,5]。铝和钢的表面均容易形成氧化膜[6]。当液态铝与固态钢的接触时间较短且结合温度较低时，难以形成有效的融合区。而且，一旦铝/铁反应启动，IMCs在适宜温度下可在极短时间内形成。随着反应时间增加，IMCs厚度不断增大，严重影响结合性能[7]。IMCs的厚度和形貌是决定铝/316L不锈钢双金属复合材料界面强度的关键因素。通常认为，当IMCs厚度超过10 μm时，界面显著变脆[8,9]，在应力作用下容易发生脆性断裂。在异种双金属体系中，复合材料的性能主要取决于界面层的厚度和界面相的组成[10,11]。
固-液复合铸造能够实现异种金属的大面积冶金结合，并满足复杂部件的定制化成型需求[12]。在铝/钢双金属复合材料的制备中，该方法具有固-固复合方法无法比拟的不可替代优势[13]。然而，传统的固-液复合铸造通常在较高温度和较长保温时间下进行[14,15]。在此条件下，界面处形成的IMCs较厚，导致结合性能较差。例如，Wang等人[16]采用单步复合铸造方法制备了铝/钢双金属复合材料，界面IMCs厚度约为10 μm，热处理后拉伸强度仅达到约45 MPa，这表明单步复合铸造在降低IMCs厚度和提高界面强度方面存在显著局限性。尽管热浸镀[17]、[18]、[19]、[20]、[21]和超声振动辅助[22]、[23]、[24]复合铸造等方法在一定程度上可以减少热输入，但与热轧[27]、扩散焊[28]、搅拌摩擦焊[29]和激光焊[30]等工艺相比，界面处的IMCs仍然较厚[25]、[26]。而且，一旦反应启动，IMCs层只会持续增长，导致界面处IMCs层较厚，难以实现理想的结合性能。因此，迫切需要探索新的工艺，以有效控制界面处IMCs的生长。
近年来，磁场辅助技术因其在促进铝/铁反应、诱导界面熔体对流、均匀化温度场和抑制IMCs生长等方面的潜力而备受关注[31]、[32]、[33]。例如，Yu等人[34]采用磁场辅助热浸复合铸造方法制备了铝/钢双金属复合材料，在电磁搅拌（EMS）作用下，界面IMCs厚度从5.1 μm减小到2.7 μm，剪切强度从41 MPa提高到56 MPa。Yu等人[35]还利用EMS破碎铝/镁界面处的氧化膜并碎裂枝晶，从而改善了铝/镁界面的剪切强度。Mu等人[36]采用磁场辅助激光焊方法制备了铝/钢双金属复合材料，EMS减小了焊缝中IMCs的厚度，同时提高了焊缝的拉伸强度和伸长率，并降低了界面硬度。Funabiki等人[37]采用磁场辅助点焊方法制备了铝/钢双金属复合材料，磁场诱导的EMS促进了界面附近的热传递，使温度更低且更均匀，最终形成了薄而均匀的IMCs。然而，EMS的界面结合性能高度依赖于工艺参数的匹配，如预热温度、保温温度和保温时间[38]。冷却条件也影响界面IMCs的厚度，适当提高冷却速率可以有效抑制脆性IMCs的过度生长，还可以减少界面孔隙缺陷并细化晶粒。Zhu等人[39]研究了热轧后冷却速率对铝/钛/纯铁/钢复合材料微观结构和性能的影响，结果表明，随着冷却速率适当增加，界面结合强度提高。因此，利用EMS，通过合理协调预热温度、保温温度、保温时间和冷却速率，有望获得更薄的IMCs和良好的界面结合质量。这可以通过适当降低预热温度、保温温度和保温时间来减少界面热输入，同时施加适当的冷却条件来实现。
本文基于低温预热、EMS和快速冷却协同控制实现的协同控制，提出了一种面向复杂结构铝/钢双金属复合材料的新型界面控制策略。选取纯铝和316L不锈钢作为铝/钢双金属复合材料的材料。其中，纯铝成分简单，可以避免合金元素的干扰，从而便于揭示EMS作用下铝-铁界面反应的机理。316L不锈钢相比普通钢在强度、硬度和耐腐蚀性方面具有进一步的提升[40]。铝/316L不锈钢双金属复合材料在新能源汽车液冷系统部件、海洋歧管和化工热交换器等领域需求量大。通过EMS调节预热温度、保温温度和保温时间，控制铝/钢界面处IMCs的形貌和厚度，以提高铝/钢双金属复合材料的综合性能。
章节片段
材料与实验
本研究选取纯铝（Al，99.99 wt%）和316L不锈钢作为铝/316L不锈钢双金属复合材料的原材料。316L不锈钢的化学成分见表1。将纯铝和316L不锈钢加工成直径22 mm、高度20 mm的圆柱形试样。
图1(a)(b)展示了铝/316L不锈钢双金属复合材料的制备工艺和实验装置。如图1所示
铝/316L的微观结构
图5展示了在EMS作用下、316L不锈钢预热温度为650°C时制备的铝/316L不锈钢双金属复合材料界面的微观结构。如图5所示，在不同保温温度和保温时间下，界面处均形成了连续的IMCs。所有界面均由致密IMCs层和絮状IMCs层组成，致密IMCs层分布在316L不锈钢一侧，絮状IMCs层分布在铝一侧。
讨论
图12展示了熔池截面上的磁通密度、流场方向分布和速度大小分布。在液态铝中可以观察到中心对称的流场，熔体从池中心区域向外流动。铝/钢界面附近的下部环流回路规模大于上部回路，表明电磁搅拌效应在界面附近更强。图12(c)进一步揭示了
结论
本文通过磁场辅助的固-液复合铸造方法成功制备了铝/316L不锈钢双金属复合材料，研究了EMS、预热温度、保温温度和保温时间对铝/钢复合材料界面微观结构和力学性能的影响。主要结论如下：
- (1)
在EMS作用下，预热温度为350°C、保温温度为670°C、保温时间为10秒时，形成了连续的
CRediT作者贡献声明
邹春明：写作——审阅与编辑，经费获取。刘真路：写作——审阅与编辑。王宏伟：写作——审阅与编辑，方法学，经费获取。魏尊杰：写作——审阅与编辑，项目管理。马金兰：写作——初稿撰写
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知竞争性经济利益或个人关系。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究获得国家重点研发计划[2025YFF0513500]、国家自然科学基金[52231002、51774105]、精密热成形国家重点实验室[JCKYS2026603C001]、投研创新团队计划[XNAUEA5640208420]以及金属精密热加工国家重点实验室基金[6142909210102]的资助。
马金兰|邹春明|刘真路|王宏伟|渭尊杰
