熔滴复合电弧增材制造钢/铅双金属结构界面特性与剪切失效分析

Interface Characteristics and Shear Failure of Steel/Lead Bimetallic Structures Fabricated by Droplet-arc Hybrid Additive Manufacturing

摘要

针对目前国防装备领域钢/铅粘接结构存在黏结层易脱落、强度退化等问题，提出一种将熔滴沉积技术与钨极惰性气体（TIG）电弧焊接相结合的熔滴复合电弧增材制造新方法，以实现钢/铅结构的直接冶金结合。为检验钢/铅双金属结构成形试样的界面结合状态，开展了界面组织结构及力学性能表征测试。结果表明，钢/铅界面近熔池区域形成了Fe-Sn/Fe-Sb系金属间化合物（IMC），其IMC厚度从熔池中心向边缘非线性递减，熔池区域硬度峰值达到746HV；拉剪试样断裂位于铅合金侧，表明界面结合优异，最高剪切强度达49.6 MPa，高于工程应用标准（10 MPa）；失效分析发现断口呈现韧-脆性混合断裂特征，裂纹可能萌生于IMC层微孔聚集区以及界面残余应力集中区。

Abstract

Aiming at the existent problems such as local strap debonding and strength degradation of the adhesively bonded steel/lead bimetallic structures in the field of defense equipment， a novel additive manufacturing method was proposed to fabricate 45 steel/lead alloy bimetallic structures by direct metallurgical connection， which was a combination of droplet deposition-based freeform fabrication and tungsten inert gas（TIG） arc processes. Microstructural characterization and mechanics tests were conducted to evaluate the interfacial bonding quality. The results demonstrate that Fe-Sn/Fe-Sb intermetallic compounds（IMC） formed near the molten pool at the steel/lead interfaces， with IMC thickness nonlinearly decreasing from the pool center to the edge. The molten pool exhibites a peak hardness of 746HV. Tensile-shear specimens fractured on the lead alloy side， indicating superior interfacial bonding with a maximum strength of 49.6 MPa， far exceeding the engineering standard（10 MPa）. Shear failure demonstrates a ductile-brittle mixed fracture mode， with cracks likely initiating at micro-void clusters in the IMC layer and residual stress-concentrated regions.

Graphical abstract

关键词

电弧增材制造 / 钢/铅双金属结构 / 熔滴沉积 / 金属间化合物

Key words

arc additive manufacturing / steel/lead bimetallic structure / droplet deposition / intermetallic compound

0 引言

铅合金具有密度高、熔点低、流动性好的特点，对γ射线具备良好的吸附性和抗穿透性，可作为优先考虑的屏蔽材料。45钢具有优异的综合力学性能、较好的可焊性和加工性。钢/铅双金属结构具有强度和硬度高、防辐射性能强、电化学性能优异等综合性能，在核电、国防军事和电化学等领域中展现出强大的研究价值和应用潜力^［1-2］。目前，常采用环氧树脂作为黏结剂，实现钢、铅结构的粘接成形，在实际服役或长时间存储中，受热、辐射以及机械负载的作用，黏结层易出现局部剥离、老化或强度退化等问题，钢/铅双金属结构的完整性、持久稳定性及环境适应性无法得到保证^［3-4］。

多材料增材制造技术独特的逐层堆积工艺使得对材料微观结构和力学性能在时间和空间上的调控得以实现，同时该技术还具备制造复杂几何形状零件的能力，因此已经成为国内外先进成形制造技术研究的焦点之一^［5］。依据材料分布形态的差异，金属多材料的接合方式可以分为直接连接、梯度连接及中间层连接，双金属结构常采用直接连接和中间层连接。增材制造方法主要有以粉末或丝材为原材料的激光近净成形（laser engineered net shaping， LENS）技术^［6-8］、电子束熔化（electron beam melting， EBM）增材制造技术^［9-11］和电弧增材制造（wire are additive manufacturing， WAAM）技术^［12-14］。

近年来，国内外学者针对镍/铜、镍/钛、钢/铜等双金属结构开展了激光增材制造和电弧增材制造，主要研究了成形试样的宏观形貌、微观组织、界面组织结构和冶金缺陷。TYAGI等^［15］采用激光定向能量沉积（laser directed energy deposition， L-DED）工艺制备了SS316L和Inconel625合金双金属结构，对钢/镍双金属结构的显微组织和力学性能进行了表征分析，结果表明：与WAAM相比，L-DED制备的钢/镍双金属结构具有优越的抗拉强度和良好的延展性。ABE等^［16］利用WAAM制备了不锈钢/镍基合金双金属结构，研究了界面处的力学性能，结果发现，WAAM制造的双金属结构的力学性能相当于单一钢镍金属材料的力学性能。CHEN等^［17］通过激光粉末床熔融（laser powder bed fusion， LPBF）技术制造了单道和多道316L/CuSn10双金属结构，研究了构件的几何形貌和微观结构特征的影响机制，发现单道沉积层的宽度随激光功率和层厚的增加而增大，并随着扫描速度的增大而减小。WANG等^［18］通过Ta/Cu多层结构成功制造了无冶金缺陷的TC4/IN718双金属结构，结果表明，Ta/Cu复合层可以有效避免TC4和IN718之间产生Ti-Ni和Ti-Cu金属间化合物，并且从TC4到IN718的每个界面都形成了良好的冶金结合，双金属结构在室温下的抗拉强度达到369.32 MPa。

尽管增材制造技术已为双金属结构的材料结构功能一体化成形提供了技术途径，然而，由于本文所用铅合金原材料为铸锭形式，其材料化学成分属定制化，因此无法直接使用现有金属增材制造技术实现这两种金属复合结构的直接冶金成形。钢、铅两种合金材料在物理化学性质上的巨大差异，如熔点相差约1500 ℃、线膨胀系数相差近两倍，也给钢/铅双金属结构的直接冶金结合带来了一定困难。目前，电弧、电子束和激光增材等技术仅适用于理化性质相近的双金属材料，尚无法实现钢/铅这类性质差异巨大的双金属结构制造，并且受限于铅合金缺乏适用的丝材或粉末原料，因此无法利用上述技术实现钢/铅双金属结构增材制造。关于TIG（tungsten inert gas）电弧复合熔滴沉积工艺制备双金属结构的研究尚属空白。因此，本文采用TIG电弧复合熔滴沉积技术实现45钢/铅合金双金属结构的增材制造。重点研究钢/铅界面组织结构、界面处不同位置的层厚分布规律、界面硬度、拉剪性能和剪切剖离断面。通过对近界面微区的显微组织和拉剪性能测试分析，得出该工艺在钢/铅双金属结构成形中的可行性和有效性。

1 熔滴复合TIG电弧增材制造原理

图1展示了基于熔滴复合电弧工艺的钢-铅双金属界面形成机制。该集成加工系统由Fronius MW3000 Job焊接设备、感应加热装置及三维数控移动平台构成，通过多物理场耦合作用实现异质金属的瞬间冶金结合。其工艺过程如下：首先对铅合金进行预处理（包括氧化层去除、表面净化及超声清洗），随后通过感应加热技术在石墨坩埚中完成铅合金的可控熔化；在压电陶瓷脉冲振动器驱动下，熔融铅合金经喷嘴形成稳定连续的熔滴流。45钢基板在数控系统驱动下沿预设轨迹移动，引导铅合金熔滴精确沉积至钢熔池特定区域。界面的形成经历冲击、铺展、回弹、振荡四阶段动态冶金过程，同步触发金属间化合物（IMC）层的瞬时生成与生长，最终在液态条件下实现钢-铅界面的原子级结合^［19］。该工艺通过动态控制熔滴沉积轨迹与凝固行为，有效调控界面IMC层厚度及分布特征，为异质金属复合提供新的技术路径。

2 试验材料与方法

本文以尺寸为42 mm×32 mm×32 mm的锡铅合金块材为堆积层材料，200 mm×200 mm×8 mm的45钢为基板。两种材料的化学成分和热物性参数如表1、表2所示。熔滴沉积成形相关工艺参数如表3所示。

将锡铅合金块材表面粗砂打磨、清洗后置于石墨坩埚中，启动水冷及感应加热设备，设定温度为280 ℃并保温5~10 min使熔滴稳定，TIG电弧作用在基板上形成熔池，同时铅合金溶液在压电陶瓷脉冲振动下精确沉积到基板上，冷却后形成约1~1.5 mm单道堆积层。对线切割的双金属试样横截面进行清洁，用400、800、1200、1500、2000、3000号砂纸在金相研磨抛光机上逐级打磨至无显著划痕，再用抛光布与氧化铝抛光粉进行粗、精抛光。用4%硝酸酒精溶液对抛光试样腐蚀10 s，无水乙醇冲洗吹干后，在倒置金相显微镜（Nikon MA200）下观察横截面金相组织。采用X射线衍射仪（Bruker D8 Advance）、场发射扫描电镜（Gemini）及牛津能谱仪（INCAEnergy350）对45钢/铅合金双金属结构试样界面进行物相、微观组织和成分分析。采用维氏显微硬度计（HVS-50Z）对金相试样进行显微硬度测试，电子万能试验机（CMT5105）对双金属试样进行拉剪测试，测定拉剪强度。

3 结果与分析

3.1 钢/铅双金属结构界面宏观形貌与微观结构

图2展示了铅合金单道沉积表面形貌及中心横截面。由图2a可以观察到，熔化后的45钢基体与铅合金沉积层之间形成近似直线的界面。在钢/铅双金属试样的界面处未发现裂纹、气孔和夹杂等宏观或整体缺陷，说明钢/铅双金属结构成形质量良好。此外，钢/铅界面接触角为锐角，表明熔融状态下两者具有良好的润湿性，验证了熔滴复合电弧工艺在钢/铅连接中具有更高的稳定性和更好的表面质量。

图3为Gemini场发射扫描电镜对图2中的1、2、3区域进行EDS面扫描得到的元素分布图。界面中心区域在高能量密度热输入作用下，Pb、Sb、Sn元素向45钢基体发生显著扩散，形成连续的界面扩散层（图3a）；熔池边缘区域受限于较低的热输入及Fe-Pb固溶度限制，Pb元素扩散受阻，但Sb/Sn仍可通过界面反应形成薄的扩散层（图3b）；热影响区因峰值温度未达到元素激活扩散阈值，仅在界面附近观察到少量Pb合金的微观弥散分布（图3c）。

图4所示为钢/铅双金属结构界面不同区域晶粒取向特征。由EBSD衍射谱图可以看出，铅合金堆积层侧共晶组织无显著晶界，45钢侧晶界明显并具有不同的晶粒取向。熔池区钢/铅界面附近分布着细小晶粒，远离界面细晶粒形态由颗粒状向层片状转变。而热影响区界面附近受热程度较小晶粒较粗大，界面处近似直线，说明元素扩散不充分导致界面层厚度减小。这种晶粒取向分布特征为界面强化机制提供了微观组织学依据。

3.2 钢/铅界面物相及IMC层厚分析

图5为钢/铅界面处Fe-Sb和Fe-Sn二元合金相图。图6为分别沿图2所示1、2、3位置垂直方向进行X射线衍射扫描图。结果表明界面区域1（熔合区）主要由Fe、Pb、Sb、Sn基体相构成，并在冷却过程中形成Fe-Sn/Fe-Sb系IMC；区域2（近界面过渡区）检测到FeSn₂与FeSb₂脆性相，该区域因温度梯度效应导致过冷度增加，促进了高熔点IMC的选择性析出；区域3（45钢热影响区）由于峰值温度未达到界面反应激活能阈值，未观测到IMC生成。结合Fe-Sn/Fe-Sb二元相图分析，界面IMC的形成与冷却速率及元素扩散行为密切相关，其分布特征反映了焊接热循环过程中温度场与浓度场的动态耦合作用。

图7所示为钢/铅界面IMC层的元素分布特征，IMC层厚度呈现从熔池中心向边缘非线性递减的梯度分布规律。熔池中心区域（图7a）因高温停留时间长且温度梯度小，元素扩散充分，形成了最厚的IMC层约140 μm；热影响区（图7b）由于峰值温度降低及高温停留时间缩短，IMC层厚度减小至约70 μm；而在图7c所示的固态基板表面区域，因液态铅合金润湿性恶化，界面反应动力学受限，IMC层厚度趋近于零。

3.3 钢/铅双金属结构界面硬度及拉剪性能

图8展示了钢-铅双金属结构显微硬度梯度分布特征。该界面体系由45钢基体、热影响区、熔合区、金属间化合物层及铅合金堆积层组成，各区域呈现显著的硬度差异化分布。其中，45钢基体硬度沿沉积方向呈现梯度增大趋势，分别为307HV~710HV（区域1）、308HV~586HV（区域2）及338HV~551HV（区域3），近界面微区因IMC层厚度的显著增大（区域1达785HV，区域2达641HV）形成硬度峰值。铅合金堆积层表现出最低硬度特征，平均显微硬度为24.3HV。

从单层多道钢/铅双金属结构制件上截取相应尺寸的拉剪试样，在室温下以0.5 mm/min的拉伸速率在电子万能拉伸试验机上进行拉剪试验。图9所示为拉剪试样的标准尺寸及断口形貌。图10为拉剪试样的载荷-位移曲线。图9b为五种不同搭接长度L（J1-10 mm、J2-8 mm、J3-6 mm、J4-4 mm、J5-2 mm）下拉断后的失效形貌，可以得出不同结合面积下试样均呈现相似的断裂特征，断裂均发生在沉积铅合金侧，表明钢/铅双金属结构具有优异的界面结合强度。图9c和图9d宏观断口形貌揭示了界面处铅合金沉积层侧的脆性断裂特征，断口整体平整色泽较光亮，未见明显颈缩现象，材料沿拉伸方向的伸长变形量极小，表明塑性变形有限。载荷-位移曲线展现了最小搭接长度2 mm的J5试样获得最高抗拉剪强度49.6 MPa，钢/铅双金属结构试样平均抗拉剪强度为28.4 MPa。

3.4 钢/铅双金属结构剪切断口分析

图11所示为钢-铅双金属结构单搭接剪切试验结果。当界面承受剪切载荷时，断裂主要发生在铅合金沉积层与界面过渡区的交界区域，如图11b所示，铅合金侧断口呈现明显的塑性流动特征，揭示了该界面体系的韧性断裂机制。图11c显示了45钢侧断口的润湿宽度波动特性，这一现象与液态铅合金在固态钢基体表面的动态扩散-反冲耦合效应密切相关，即液态铅合金在钢表面的润湿行为受Marangoni效应对流主导的熔池流动控制。反冲效应源于液态铅凝固时的体积收缩与钢基体的刚性约束，形成周期性界面应力场^［22］。润湿宽度的周期性波动直接决定了界面结合的空间非均匀性。

为系统分析钢/铅界面结合状态及缺陷特征，对剪切试样剥离断面进行场发射扫描电镜表征。图12显示了45钢侧剥离断面不同区域形貌差异，图13所示为45钢断面不同区域元素分布。

图12b显示了45钢断口处的反应润湿中心区，表面呈现微米级圆形和椭圆形孔隙并且边缘光滑，尺寸较均匀，此类孔隙主要源于铅合金块体固有气孔缺陷^［23］，同时在成形过程中，熔滴高速冲击与熔池波动易造成气体滞留与界面不稳定，进一步促进了该类孔隙的形成。图12c展示了钢/铅惰性润湿区域，结合图13a可知，该区域Fe、Pb元素高浓度共存，表明铅合金仅通过高温润湿性机械黏附于基板表面，未形成有效冶金结合。外力作用下界面直接剥离，基板表面裸露，仅残留微量铅合金。图12e为气孔底部的局部放大图，结合图13c可推断存在均匀分布Fe-Sn粒状IMC，再依据此处Fe元素富集特征，推测断裂发生于基板表面与界面层交界处。45钢侧剥离断面同时存在解理面（图12d）与韧窝结构（图12f），表明中心区域为韧-脆混合断裂模式，以韧性断裂为主导。

铅合金侧剥离断面特征如图14所示，图15所示为铅合金断面不同区域元素分布。惰性润湿区（图14b）与反应润湿区（图14c）均以Pb元素为主，但后者Fe元素富集度显著增强（与钢侧元素分布规律一致）。由此推断断裂主要发生于近界面铅合金堆积层与异质界面层交界处。局部放大图显示铅合金堆积层中心区域呈现韧窝环绕孔隙（图14e）与剪切滑移面（图14f）共存的混合断裂形貌，佐证了界面异质结构诱导的韧性-脆性混合断裂机制。

4 结论

本文采用熔滴沉积复合TIG电弧增材制造工艺实现了理化性质差异巨大的钢/铅双金属结构直接冶金复合成形。为研究钢/铅双金属界面宏微观组织特征与界面剪切失效之间的构效关系，对双金属界面组织结构以及剪切性能进行表征测试分析，得出的主要结论如下：

1）X射线衍射物相表征揭示钢/铅界面熔池热影响区优先发生Fe-Sn/Fe-Sb系金属间化合物（IMC）的异质形核，界面边缘区域未观察到显著IMC生成，表明界面反应受局部热力学条件调控。

2）钢/铅界面金属间化合物层厚呈现从熔池中心向边缘非线性递减的梯度演变规律，其中熔池中心处IMC层最厚，此时达到硬度峰值746HV，而边缘处IMC层厚度趋近于零，硬度下降至基材水平。

3）拉剪断裂路径分析表明，失效模式为铅合金侧脆性穿晶断裂，断口呈现河流花样及解理台阶特征，证实界面结合强度显著高于铅基体强度。其中J5试样（搭接长度2 mm）实现了49.6 MPa抗剪强度，平均抗剪强度达28.4 MPa，满足工程标准（10 MPa）。

4）界面剪切失效机制为准解理断裂与韧窝结构的耦合模式，裂纹萌生可能归因于IMC/铅界面显微孔洞的应变诱导聚集，裂纹扩展受IMC层内应力集中效应驱动。

参考文献

[1] 顾军. 坚持人才优先 加快建设核工业人才高地［J］. 国防科技工业， 2022（12）： 34-36.

[2] GU Jun. Adhering to Talent Priority-Accelerating the Construction of a Highland for Nuclear Industry Talents［J］. Defence Science & Technology Industry， 2022（12）： 34-36.

[3] 夏嘉斌， 孙广开， 宋潮， 等. “钢-铅”粘接结构非接触激光超声检测方法［J］. 红外与激光工程， 2018， 47（1）： 0117006.

[4] XIA Jiabin， SUN Guangkai， SONG Chao， et al. Non-contact Laser Ultrasonic Testing of Steel-plumbum Bonding Structure［J］. Infrared and Laser Engineering， 2018， 47（1）： 0117006.

[5] 孙凯华， 李建文， 孙朝明， 等. 钢-铅粘接结构的粘接强度对超声体波反射与透射特性的影响［J］. 应用声学， 2019， 38（1）： 93-104.

[6] SUN Kaihua， LI Jianwen， SUN Chaoming， et al. Influences of Bonding Strength on Reflection and Transmission Characteristics of Ultrasonic Bulk Waves in Steel-lead Bonded Structure［J］. Applied Acoustics， 2019， 38（1）： 93-104.

[7] JAIRAJA R， NAIK G N. Strengthening of the Adhesive Bond Using a Mixture of Adhesives between Dissimilar Adherends in a Single Lap Joint［J］. Journal of Adhesion Science and Technology， 2020， 34（6）： 579-598.

[8] BANDYOPADHYAY A， ZHANG Y N， ONUIKE B， et al. Additive Manufacturing of Bimetallic Structures［J］. Virtual and Physical Prototyping， 2022， 17（2）： 256-294.

[9] ONUIKE B， HEER B， BANDYOPADHYAY A， et al. Additive Manufacturing of Inconel 718—Copper Alloy Bimetallic Structure Using Laser Engineered Net Shaping （LENS™）［J］. Additive Manufacturing， 2018， 21： 133-140.

[10] GRODEN C， TRAXEL K D， AFROUZIAN A， et al. Inconel 718-W₇Ni₃Fe Bimetallic Structures Using Directed Energy Deposition-based Additive Manufacturing［J］. Virtual and Physical Prototyping， 2022， 17（2）： 170-180.

[11] LI W， LIOU F， NEWKIRK J， et al. Investigation on Ti₆Al₄V-V-Cr-Fe-SS316 Multi-layers Metallic Structure Fabricated by Laser 3D Printing［J］. Scientific Reports， 2017， 7： 7977.

[12] OSIPOVICH K S， ASTAFUROVA E G， CHUMAEVSKII A V， et al. Gradient Transition Zone Structure in “Steel–Copper” Sample Produced by Double Wire-feed Electron Beam Additive Manufacturing［J］. Journal of Materials Science， 2020， 55（22）： 9258-9272.

[13] GRODEN C， TRAXEL K D， AFROUZIAN A， et al. Characterization of Copper & Stainless Steel Interface Produced by Electron Beam Powder Bed Fusion［J］. Materials & Design， 2021， 212： 110278.

[14] ZHAI W G， WANG P， NG F L， et al. Hybrid Manufacturing of Γ-TiAl and Ti–6Al–4V Bimetal Component with Enhanced Strength Using Electron Beam Melting［J］. Composites Part B： Engineering， 2021， 207： 108587.

[15] WU Bintao， QIU Zhijun， PAN Zengxi， et al. Enhanced Interface Strength in Steel-nickel Bimetallic Component Fabricated Using Wire Arc Additive Manufacturing with Interweaving Deposition Strategy［J］. Journal of Materials Science & Technology， 2020， 52： 226-234.

[16] RAJESH K A， KUMAR S M， PRAMOD R， et al. Microstructure and Mechanical Properties of Wire Arc Additive Manufactured Bi-metallic Structure［J］. Science and Technology of Welding and Joining， 2021， 26（1）： 47-57.

[17] SINGH S， JINOOP A N， PALANI I A， et al. Microstructure and Mechanical Properties of NiTi-SS Bimetallic Structures Built Using Wire Arc Additive Manufacturing［J］. Materials Letters， 2021， 303： 130499.

[18] TYAGI S， BALLA S K， MANJAIAH M， et al. Microstructure and Mechanical Properties of Stainless Steel 316L-inconel 625 Bimetallic Structure Fabricated by Laser Wire Direct Energy Deposition［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2024， 33： 8361-8371.

[19] ABE T， SASAHARA H. Dissimilar Metal Deposition with a Stainless Steel and Nickel-based Alloy Using Wire and Arc-based Additive Manufacturing［J］. Precision Engineering， 2016， 45： 387-395.

[20] CHEN Jie， YANG Yongqiang， BAI Yuchao， et al. Single and Multiple Track Formation Mechanism of Laser Powder Bed Fusion 316L/CuSn10 Multi-material［J］. Materials Characterization， 2022， 183： 111654.

[21] WANG Chenyang， SHANG Chun， LIU Zhanqi， et al. Laser Additive Manufacturing of Bimetallic Structure from TC4 to IN718 via Ta/Cu Multi-interlayer［J］. Materials Research Express， 2020， 7（12）： 126506.

[22] 徐思远， 杜军， 赵光喜， 等. 45钢/锡铅合金复合结构熔融沉积中熔滴过渡行为［J］. 浙江大学学报（工学版）， 2020， 54（11）： 2224-2232.

[23] XU Siyuan， DU Jun， ZHAO Guangxi， et al. Droplet Transfer Behavior in Fused-deposition of 45 Steel/Tin Lead Alloy Bimetallic Structures［J］. Journal of Zhejiang University （Engineering Science）， 2020， 54（11）： 2224-2232.

[24] LIU Ya， XU Xiaojun， WU Changjun， et al. The Ternary Fe–Sb–Si System： Experimental Phase Diagram Study and Thermodynamic Calculation［J］. Calphad， 2018， 63： 82-91.

[25] ZHANG Xiang， MA Guojun， LIU Mengke， et al. Removal of Residual Element Tin in the Ferrous Metallurgy Process： a Review［J］. Metals， 2019， 9（8）： 834.

[26] XU Y， VINCENT S， HE Q C， et al. Spread and Recoil of Liquid Droplets Impacting on Solid Surfaces with Various Wetting Properties［J］. Surface and Coatings Technology， 2019， 357： 140-152.

[27] MOUSSAOUI K， RUBIO W， MOUSSEIGNE M， et al. Effects of Selective Laser Melting Additive Manufacturing Parameters of Inconel 718 on Porosity， Microstructure and Mechanical Properties［J］. Materials Science and Engineering： A， 2018， 735： 182-190.

基金资助

国家自然科学基金(52465048)

航空科学基金(20200054070001)

宁夏自然科学基金(2024AAC03055)