輕型戰車的重量級解決方案——將厚鋁板連接到鋼材上的技術

太平洋西北國家實驗室的研究人員成功地開發並測試了一種新型工藝，稱為摩擦攪拌燕尾榫接合(FSD)技術，該工藝實現了將厚鋁板連接到鋼材上的技術突破。此項新工藝將用於製造更加靈活和節能的輕型軍用車輛。

ScriptaMaterialia在4月15日發行的文章中詳細描述了這一技術，並對使用新技術製作的接頭進行了測試。該期刊的同行評議的期刊包括了許多關於材料結構和性能之間關係的原始研究，極具權威性。

坦克瘦身

根據美國政府問責局( the U.S. Government Accountability Office)的數據，軍方每年要花費數十億美元用於燃料消耗，而這可以通過減輕船隻、飛機、地面車輛和貨物的重量來減少。

為了在保持軍事人員安全的同時降低燃油成本並提高作戰效能，美國陸軍坦克汽車研究開發工程中心（TARDEC）於2014年發起了一場運動，來尋求一種使戰鬥系統(坦克，戰車，和人員運輸車) 更輕量的方法。目前，他們正在研究如何用更厚、更輕的鋁來替換重鋼部件。但由於熔點差異很大，鋁和鋼不能焊接在一起，所以他們尋求一種新的工藝來連接這些材料。

TARDEC與PNNL聯手開發了摩擦攪拌燕尾榫接合(FSD)技術，其中，PNNL曾為汽車行業開發出獨特的材料連接技術。這些先前的獨特技術包括：攪拌摩擦焊接(FSW)，用作連接不同厚度的同種金屬板，以及摩擦攪技術(FSS)，用來連接不同材料的薄片，如鋁和鋼。

儘管攪拌摩擦技術(FSS)解決了連接鋁薄片和鋼板的難題，但該技術不能應用于堅固的軍用車輛所需的鋁製厚板與鋼板的連接（以英寸為單位）。

一種鋁和鋼完美結合的技術

在木工中，我們使用燕尾和膠水將木片牢固地連接在一起。與之相似，摩擦攪拌燕尾榫接合(FSD)是一種適用於金屬材料連接方法。該方法使用特殊設計的工具，將鋁被變形為鋼的燕尾槽，形成機械聯鎖。同時，鋼沿著燕尾的底部摩擦，形成一層薄的冶金結合物(或金屬間化合物)將金屬「粘合」在燕尾內。

該研究的負責人，PNNL工程師Scott Whalen說:「在單一工藝過程中形成的機械聯鎖和冶金結合是一種創新，與其他摩擦攪拌方法產生的接頭相比，它具有更好的強度和延展性。」

研究小組發現，使用綜合的機器控制來精確調節鋁鋼界面上的溫度和壓力，可以抑制金屬間化合物的生長。而這些化合物在其他攪拌摩擦技術中，會變得粘稠和不均勻，導致接頭脆性失效。因為一些金屬間化合物(鐵鋁化合物或Fe3Al) 非常薄，甚至比人的頭髮要薄1000倍，所以它們能起到「膠水」的作用，並且不會造成脆化，在攪拌摩擦的過程中對接頭是有益的。

Whalen說:「在加熱過程中，所有的攪拌摩擦技術都會導致鋁和鋼之間形成金屬間化合物。我們發現，由於溫度和壓力比其他攪拌方式低得多，FSD會抑制金屬間化合物的過度生長。」

通過對摩擦攪拌燕尾榫接合(FSD)技術製作的接頭進行實驗室測試，表明，在冶金結合與燕尾機械連接的共同作用下，接頭強度不僅優越，而且材料在接頭斷裂前可延伸至半厘米以上——說明使用此種方法製作的鐵鋁接頭，比用其他摩擦攪拌技術製作的接頭，延展性高5倍。

「我們一直在尋找新型的多材料連接方法，以幫助我們在所需的位置選擇合適的材料，摩擦攪拌燕尾榫接合(FSD)技術為我們提供了一種非常先進的方法。」 TARDEC產品生命周期工程副總監Jason Middleton說。

目前，研究小組正在改進此技術並打算將其應用到其他材料連接當中。除了鋁和鋼之外，還可以使用摩擦攪拌燕尾榫接合(FSD)技術來連接其他材料組合，例如鋁和銅，鋁和鎂，還有鎂和鋼。

摩擦攪拌燕尾榫接合(FSD)技術不僅幫助TARDEC解決了燃料消耗的挑戰，也將幫助其經由PNNL商業經理Sara Hunt獲得其他潛在的應用許可和合作研究機會。

文章來自phys網站，原文題目為A heavyweight solution for lighter-weight combat vehicles，由材料科技在線匯總整理。

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