钢/铅双金属结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造与界面组织研究——文献学习体会

文献概况与研究背景

张永恒等发表于《稀有金属材料与工程》2023年第52卷第3期的这篇论文，报道了采用熔滴沉积复合TIG电弧增材制造工艺实现45钢/锡铅合金双金属结构直接冶金结合的研究成果。该研究依托西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，受民用航天技术预先研究、航空科学基金等多项基金支持，具有明确的航天工程应用背景。

在航空与航天领域，钢/铅双金属结构主要用于辐射屏蔽、轴承衬里、减振降噪等场合。传统工艺多采用包套、电镀或钎焊等方法实现钢与铅的结合，存在结合强度低、工艺复杂、界面易产生脆性相等问题。电弧增材制造（Arc Additive Manufacturing, AAM）作为一种快速成形技术，为异种金属结构的直接制造提供了新的技术途径。

工艺原理与制造方法

熔滴沉积复合TIG电弧增材制造的核心思路是：利用TIG电弧作为热源，将铅合金熔滴沉积在钢基体表面，通过电弧热和熔滴动能的协同作用，实现钢与铅的直接冶金结合。该工艺的关键技术难点在于：

• 钢与铅的熔点差异极大（45钢熔点约1515℃，铅熔点仅327℃），热输入控制窗口极窄；
• 钢与铅在液态下互溶性有限，界面处易形成金属间化合物（IMCs）；
• 铅的密度大（11.34 g/cm³），熔滴铺展行为复杂，易产生流动性不良。

界面组织特征分析

文献通过OM、SEM、XRD等微观分析手段，系统揭示了钢/铅界面不同位置的组织特征：

这一发现具有重要的工程意义。"反应性润湿"与"惰性润湿"的共存状态表明，铅合金熔滴在钢表面的冲击、铺展过程中，界面反应动力学呈现出明显的空间非均匀性。熔池中心区域由于温度最高、停留时间最长，界面反应最为充分，形成了较厚的IMCs层；而远离熔池中心的区域，温度梯度大、反应时间短，界面反应不充分，形成了微孔隙缺陷。

金属间化合物对界面性能的影响

FeSn₂和FeSb₂两种金属间化合物的形成，对钢/铅界面的结合强度和可靠性具有双重影响：

• 有利方面：IMCs的形成是冶金结合的直接证据，表明钢与铅之间建立了原子级别的结合，而非简单的机械咬合。
• 不利方面：IMCs通常为脆性相，过厚的IMCs层会成为裂纹萌生和扩展的优先路径。文献指出熔池中心IMCs层厚最大约为6μm，这一厚度在工程上是相对可控的，但需要关注其在服役条件下的稳定性。

IMCs层厚随位置呈非线性递减的趋势，提示在实际增材制造过程中，熔池几何形状和温度场分布对界面质量具有决定性影响。优化熔滴沉积参数（如电弧功率、沉积速度、熔滴流量）以控制熔池尺寸和温度分布，是提升界面质量的关键。

与工程实践的关联

从钢管、管件制造的角度来看，虽然钢/铅双金属结构并非传统管件的主要应用领域，但该研究揭示的异种金属界面控制原理，对以下工程场景具有参考价值：

• 铅衬里钢管的制造（用于核工业、化工防辐射场合）；
• 钢/铜、钢/铝等异种金属管件的连接界面质量控制；
• 增材制造技术在管件修复和局部增强中的应用探索。

在质量控制方面，该研究提示我们需要关注以下检验要点：

1. 界面IMCs层厚的均匀性——需通过金相切片进行定量测量；
2. 界面微孔隙的分布与尺寸——需结合SEM背散射像进行统计；
3. 界面结合强度——需通过剪切试验或剥离试验进行评价。

关键思考与展望

该研究提出了一个值得深思的问题：在增材制造异种金属结构时，是否应该追求"完全无IMCs"的界面？从冶金学角度看，适量的IMCs是冶金结合的必要条件，但过厚的IMCs层会损害界面韧性。如何在结合强度与界面韧性之间取得平衡，是异种金属增材制造需要解决的核心问题。

另一个值得关注的方向是：该研究使用了锡铅合金（含Sb），而考虑到铅的环保限制（RoHS指令等），未来可能需要探索无铅替代方案，如钢/铋、钢/铟等新型双金属体系。这将进一步增加界面反应动力学的复杂性，需要更深入的基础研究支撑。

总体而言，这篇文献展示了电弧增材制造在异种金属连接领域的巨大潜力，同时也揭示了界面质量控制的技术挑战。对于从事焊接与连接技术研究的同行而言，该研究提供了从界面冶金学角度理解增材制造质量控制的独特视角。