通过直接能量沉积法制备的镍-铝合金青铜/马氏体不锈钢双金属的微观结构、织构及力学性能

时间：2026年3月28日

来源：Materials Science and Engineering: A

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本研究通过线材电弧增材制造技术制备了镍铝青铜/410 NiMo马氏体不锈钢双金属结构，分析了其微观结构演变、晶体织构及力学性能。发现不锈钢区以马氏体为主，含少量δ-铁素体、α-铁素体和残留奥氏体；NAB区α相晶粒及析出相分布随build height变化。界面处形成富铁层，呈现液态金属脆化裂纹，但拉伸试验显示断裂发生在NAB区，实现587 MPa抗拉强度和12%延伸率，表明界面有效承载。

根特大学，金属科学与技术小组，Technologiepark 903 B-9052 Zwijnaarde，根特，比利时

摘要

本研究探讨了通过线弧增材制造（WAAM）工艺制备的镍铝青铜（NAB）/410 NiMo马氏体不锈钢双金属结构的微观结构演变、晶体纹理及力学性能。文章详细评估了两种合金的界面特性、相变过程及纹理发展，以及它们对力学行为的影响。利用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）对微观结构进行了分析，发现不锈钢区域主要由马氏体组成，其中含有少量δ-铁素体、α-铁素体和残留奥氏体。在界面处观察到一个富铁的层，柱状晶粒从该层外延生长进入NAB侧。NAB区域呈现出α相晶粒，并伴有各种

相沉淀物，其分布和形态会随着构建高度的变化而受到热循环和稀释效应的影响。在界面处还观察到了液态金属脆化（LME）现象。纹理分析表明，由于固态转变，不锈钢的晶体纹理较为模糊；而NAB区域则具有更明显的纹理，尤其是<101>//BD方向。尽管界面处存在LME裂纹，但在单轴拉伸载荷下，断裂始终发生在NAB区域内，这说明载荷能够有效地传递穿过界面。该双金属结构的最终抗拉强度为587 MPa，总伸长率为约12%。

引言

线弧增材制造（WAAM）是制造大型金属部件的主要增材制造技术之一。其高沉积速率（最高可达15 kg/h）、高效的材料利用以及成本效益使其成为生产单一金属大型部件以及多金属大型部件的理想方法[1]。将两种不同材料整合到单一结构中是实现性能提升和局部优化的有效途径。通过策略性地放置具有特定性能的材料，工程师可以制造出更符合复杂功能要求的部件。这种设计灵活性为多个行业带来了新的可能性，从而推动了对多材料系统研发和制造的热情[2]、[3]。

青铜与不锈钢（SS）的双金属组合在海洋应用中具有重要意义，尤其是在螺旋桨制造领域。青铜合金在海水环境中具有优异的耐腐蚀性和抗气蚀性，并且耐磨性能良好[4]，而不锈钢则具备较高的机械强度和韧性[5]。结合这两种材料，可以制造出能够在恶劣海洋环境中保持结构完整性和耐久性的部件。这种协同作用使得青铜-不锈钢组合特别适合用于高性能和长寿命的螺旋桨系统[6]。

尽管将青铜（一种铜基合金）与不锈钢结合具有诸多优势，但由于两者在物理、化学和热力学性质上的显著差异，制造这种双金属部件仍面临诸多挑战。由于热膨胀率和导电性的不匹配，界面处常会出现凝固和熔化裂纹，导致残余应力较高[7]、[8]。此外，铜和铁之间的溶解度有限，会导致界面偏析和结合强度减弱，从而降低力学性能[9]。鉴于这些挑战，近期研究越来越多地聚焦于铜合金-不锈钢混合部件的增材制造。大多数研究采用激光作为加热源[7]，例如刘等人[7]使用选择性激光熔化（SLM）技术制备了316L不锈钢/CuCrZr合金混合材料，虽然其拉伸性能令人满意，但界面处出现了凝固裂纹。陈等人[9]也利用SLM技术制备了316L/CuSn10双金属结构，并观察到双金属熔合区与钢材之间的晶粒裂纹。尽管通过优化工艺参数减少了凝固裂纹，但未能完全消除。尽管基于激光的增材制造技术具有优势，但在生产这种特定双金属结构时仍存在挑战：(a) 铜对激光的反射率较高，工业应用中常用的激光仅能吸收不到5%的入射能量，这使得铜的有效熔化和沉积变得非常困难[10]；(b) 激光加工的特点是加热和冷却速率快，这会加剧两种材料之间的缺陷形成和不兼容性[11]。

使用电弧作为热源可能有助于克服铜的高反射率以及激光加工过程中的高加热和冷却速率所带来的限制，从而更便于制造青铜/不锈钢混合部件[11]、[12]。然而，相关文献较少。达门德拉等人[13]使用气体金属弧焊（GMAW）在316奥氏体不锈钢基板上打印了镍铝青铜（NAB）部件，观察到界面处有良好的冶金结合，且未出现凝固裂纹，但在316不锈钢的热影响区（HAZ）观察到了液态金属脆化（LME）现象。据作者所知，目前尚无关于使用WAAM制造镍铝青铜-马氏体不锈钢双金属部件的研究。本研究旨在探讨利用WAAM工艺制备镍铝青铜和410 NiMo马氏体不锈钢双金属结构，并重点研究微观结构演变和界面特性。

材料与方法

青铜/钢混合部件是通过GMAW工艺基于WAAM技术制造的。首先，使用直径为1.2毫米的线材，采用双向线性策略打印出尺寸为200毫米（长度）× 30毫米（宽度）× 30毫米（高度）的钢基结构。随后，在钢基材上采用编织沉积模式沉积NAB合金，青铜层的最终厚度达到20毫米。表1和表2展示了相关参数。

微观结构分析

图2展示了打印出的部件，其中钢基材和青铜沉积层清晰可见。接下来进一步分析了该部件不同区域的微观结构和力学性能。

图3a中的光学显微照片显示了打印出的钢部件结构，熔池结构清晰可见，熔合边界用白色虚线标出。更详细的微观结构分析见

微观结构形成

尽管本研究未获得详细的热历史数据（如原位温度测量或模拟的加热和冷却速率），但微观结构演变是基于WAAM工艺特有的热循环过程来解释的。WAAM工艺涉及反复的加热和冷却循环、剧烈的温度梯度以及非平衡凝固过程，这些因素显著影响了相的形成、晶粒形态和元素再分布。

结论

本文详细评估了通过WAAM制造的NAB/410 NiMo不锈钢双金属结构的微观结构、纹理和力学性能。研究结果表明，热历史、稀释效应和合金化学成分对相演变、纹理选择及界面完整性具有重要影响。这些发现为优化WAAM工艺参数以制造高性能多材料部件提供了宝贵的指导。

作者贡献声明

布里克·卢伊滕（Briek Luyten）： 方法论、数据管理。马赫迪·马哈茂迪尼娅（Mahdi Mahmoudiniya）： 文章撰写——初稿撰写、可视化处理、方法论研究、数据管理、概念构思。帕特里夏·维尔莱森（Patricia Verleysen）： 文章撰写——审稿与编辑、方法论研究、数据管理。纳维德·加瓦尼尼（Navid Ghavanini）： 方法论研究、数据管理。利奥·A.I. 凯斯滕斯（Leo A.I. Kestens）： 文章撰写——审稿与编辑、可视化处理、验证、项目监督、资源协调、方法论研究、资金筹措、数据管理、概念构思。