轻量化战车的重量级解决方案

2018年4月13日，美国太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的研究人员开发并成功测试了一种称为Friction Stir Dovetailing（FSD）的新工艺，该工艺用于连接厚铝板和钢，未来将用于制造更加灵活和节能的轻量化军用车辆。4月15日，《材料快报》（Scripta Materialia）期刊详细描述了这一工艺，并用新技术对接头进行了测试，文章涵盖了关于材料结构和性能间关系的原创研究。

轻量化军用车辆

据美国政府问责局（U.S. Government Accountability Office）称，军方每年油耗费用近数十亿美元，而这可以通过减轻船舶、飞机、地面车辆和货物的重量来减少。为了在保证军人安全的同时降低燃油成本并提高作战效能，美国陆军坦克汽车研究开发和工程中心（TARDEC）于2014年发起了一场运动，寻求更轻量化的战斗系统方法——例如：坦克、战车和运兵车。他们正在研究的一种方法是使用更厚、更轻的铝替代重钢部件。但由于铝和钢熔点差异很大，不能焊接在一起，所以他们发现了这种可以加入上述材料的新工艺。

TARDEC曾经与PNNL联手开发了一种用于汽车行业的独特的材料连接技术，包括摩擦搅拌焊接（Friction Stir Scribe），用于连接不同厚度的类似金属，以及摩擦搅拌划片（Friction Stir Scribe），用于连接不同材料的薄片，如铝和钢。

虽然摩擦搅拌划片（Friction Stir Scribe）解决了用钢片连接薄铝片的难题，但该技术并未扩展到军用车辆所需的铝制厚板（以英寸为单位）。

促使铝和钢完美契合的技术

在木工中，经常使用燕尾榫和胶水将木片牢固地连接在一起。FSD就是应用于金属的一种类似方法。通过使用专用工具，将铝嵌入钢燕尾槽形成机械联锁。同时，工具沿着燕尾的底部摩擦，形成一层较薄的冶金结合物或金属间化合物，将金属“粘合”在燕尾内。

负责该项研究的PNNL工程师Scott Whalen说，此项创新性技术是在单一工艺过程中形成的机械联锁和冶金粘合的结合，与其他摩擦搅拌方法生成的接头相比具有更高的强度和更好的延展性。

研究小组发现，使用复杂的机器控制来精确调节铝——钢界面温度和压力可抑制金属间化合物的生长。使用其他摩擦搅拌技术时，这些化合物变厚且不均匀，导致接头脆化和失效。然而，使用FSD技术时，金属间化合物——铁铝化合物或Fe3Al的生长有益于接头，这是因为它们比人类头发薄一千倍，用作“胶”不会引起脆化。

在实验室进行的FSD的接头的测试表明，当冶金与燕尾形结合时，接头强度优越，材料在接头断裂前可延伸至半厘米以上——说明延展性比铝与钢通过其他摩擦搅拌技术相结合时高5倍。这使得联合在破碎之前“给予”或移动更远——这对于军事战斗车辆而言是一个颇具吸引力的特征。

钙研究小组现在计划改进技术并扩展其他联合配置的工艺。除了铝和钢之外，FSD工艺还可以用于连接其他组合材料，例如铝和铜、铝和镁，以及镁和钢。FSD工艺不仅可以帮助解决TARDEC面临的燃料消耗挑战，而且也可通过PNNL向其他潜在领域或者合作研究机会进行授权。

镁及镁合金材料的粘接技术粘接适宜任意形状与尺寸的镁合金材料，并且几乎能与任何其他材料连接。粘接的表面可以是光滑表面，大的表面可以一次粘接而成，很适合于飞行器。连接材料间不导电，不会造成电化学腐蚀，因而适合于连接镁合金于其他异种金属。由于它适应力集中分散，而且粘接剂低的弹性模量不允许应力像刚性连接点那样容易传递，因而是要求高疲劳强度场合的极好连接方法。

很多种类的粘接剂可用于连接镁合金，大多数粘接剂需加温固化。为了避免降低被连接金属的力学性能，宜选用不需要加温固化的粘接剂。已开发出来异种改进的丙烯酸双组分粘结剂，可在室温下粘接固化，在-54~93°具有很高的粘接强度，该黏结剂在镁合金汽车铸件原型装配中具有广阔的应用前景。