南航《AM》頂刊丨一種基于顆粒的攪拌摩擦增材制造技術(shù)

來(lái)源：增材制造碩博聯(lián)盟

近期，南京航空航天大學(xué)柔性成形技術(shù)與裝備研究團(tuán)隊(duì)博士生呂萬(wàn)程（第一作者）、郭訓(xùn)忠教授（通訊作者）、沈一洲教授（通訊作者）在增材制造領(lǐng)域頂刊《Additive Manufacturing》（中科院1區(qū)，TOP期刊，IF=10.3）上發(fā)表了題為“Particle-based friction stir additive manufacturing of an Al-Mg-Mn alloy”的研究論文。

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104768

研究背景與意義
5xxx系列鋁合金（Al-Mg系）因其高強(qiáng)度、優(yōu)異耐腐蝕性和良好成形性，在航空航天、汽車和船舶等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。以攪拌摩擦增材制造（Friction Stir Additive Manufacturing, FSAM）為代表的固相增材制造技術(shù)，因其能有效避免傳統(tǒng)熔融增材工藝制備Al-Mg合金時(shí)產(chǎn)生的熱裂紋、氣孔及有害相等缺陷，已得到重點(diǎn)關(guān)注和發(fā)展。目前，F(xiàn)SAM已經(jīng)發(fā)展出基于板材、棒材(AFSD)、絲材(W-FSAM)以及粉末的增材工藝，但上述大部分工藝受限于成熟規(guī)格原料（板、棒、絲），難以實(shí)現(xiàn)多材料復(fù)合�；�于粉末的FSAM雖可調(diào)材料成分，但現(xiàn)有工藝裝置采用螺桿擠出原理，存在工具清潔困難、非連續(xù)路徑沉積困難的挑戰(zhàn)。因此，發(fā)明一種材料成分可定制、可適應(yīng)非連續(xù)路徑沉積的FSAM技術(shù)具有重要意義。

內(nèi)容簡(jiǎn)介      
本研究提出了一種基于顆粒的攪拌摩擦增材制造（P-FSAM）技術(shù)，該技術(shù)采用往復(fù)式推桿以可控頻率將原料顆粒定量、近連續(xù)地送入沉積區(qū)。在攪拌工具作用下，顆粒通過(guò)摩擦熱和大塑性變形實(shí)現(xiàn)熱塑化并逐層沉積。本文詳細(xì)闡述了P-FSAM的裝置細(xì)節(jié)、基本原理以及工藝參數(shù)，并以5356鋁合金顆粒為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析了沉積過(guò)程中的層間混合行為、力-熱演變規(guī)律、微觀組織特征及力學(xué)性能。研究表明，當(dāng)送料頻率與工具橫移速率匹配優(yōu)化時(shí)，可獲得具有等軸細(xì)晶組織的5356鋁合金沉積體，其Al3Mg2相完全溶解，在行進(jìn)方向和堆積方向均展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配（屈服強(qiáng)度＞210MPa，抗拉強(qiáng)度＞350MPa，延伸率＞20%）。本研究提出的P-FSAM技術(shù)不僅拓展了FSAM技術(shù)的材料適用范圍（有望包含金屬顆粒/粉末、復(fù)合材料顆粒、聚合物顆粒，甚至金屬?gòu)U料），其可多通道旁軸進(jìn)料的特性更為梯度材料的高效制備提供了新途徑。

圖1 P – FSAM技術(shù)的基本原理示意圖

圖2 基于顆粒的攪拌摩擦增材制造技術(shù)裝置細(xì)節(jié)

研究發(fā)現(xiàn)與結(jié)論

1. 層間混合行為
打印構(gòu)件橫截面化學(xué)腐蝕分析顯示：歸因于復(fù)合攪拌針與螺旋槽的協(xié)同作用，沉積區(qū)呈現(xiàn)類似攪拌摩擦焊的材料混合與流動(dòng)行為。攪拌針區(qū)域產(chǎn)生周期性交替的波浪圖案，而刀具螺旋槽作用區(qū)表現(xiàn)出分層特征，攪拌針與刀具過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)了沿Z方向的材料流動(dòng)。這種流動(dòng)行為源于本研究采用的一對(duì)互為反向的螺旋槽——材料在攪拌針底部受限從而逆向流動(dòng)，與刀具背面螺旋槽的上升材料混合形成復(fù)雜流場(chǎng)。工具殘留物分析表明穩(wěn)態(tài)沉積過(guò)程中，熱塑性化材料主要在刀具范圍內(nèi)發(fā)生流動(dòng)，刀具拱形區(qū)主要作為顆粒輸送通道。

圖3 沉積層整體形貌與層間混合行為

圖4 沉積前后復(fù)合攪拌工具的形貌

2. 力熱演變

P-FSAM的沉積過(guò)程可分為四個(gè)階段：顆粒填充、軸肩抬升、保壓以及橫移。初始顆粒填充階段維持0.98kN恒定推力；抬升階段因材料未完全致密化，推力降至0.82kN以下；保壓階段隨著材料完全填充，推力攀升至2.94kN；進(jìn)入穩(wěn)態(tài)移動(dòng)階段后，推力回落至0.98kN并保持穩(wěn)定。這種獨(dú)特的力學(xué)響應(yīng)是由于不同階段離散送料與連續(xù)沉積匹配關(guān)系存在差異導(dǎo)致的。

圖5 P-FSAM的四個(gè)典型階段以及推桿上對(duì)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)結(jié)果

沉積區(qū)溫度演變呈現(xiàn)階段性變化規(guī)律：在填充階段后期（最后15秒），隨著顆粒逐漸填滿沉積區(qū)，送料通道側(cè)開(kāi)始產(chǎn)生局部摩擦熱，溫度梯度逐漸形成（<80℃）；當(dāng)轉(zhuǎn)入保壓階段（約108秒起），沉積區(qū)達(dá)到完全填充狀態(tài)，摩擦接觸面積顯著增加，溫度隨之呈現(xiàn)穩(wěn)定的上升趨勢(shì)；至橫向移動(dòng)階段，在攪拌工具持續(xù)作用下，溫度在20秒內(nèi)快速地從80℃升至435℃峰值。溫度演變反映了材料填充狀態(tài)是影響產(chǎn)熱效率的根本原因。

圖6 P-FSAM四個(gè)典型階段的溫度隨時(shí)間變化曲線

3. 微觀組織

采用微區(qū)X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析（EDS）和電子背散射衍射（EBSD）等多種手段表征了P-FSAM制備的5356鋁合金微觀組織。研究結(jié)果表明：沉積體中Al3Mg2相完全溶解，Mg元素的非均勻固溶源于P-FSAM工藝中高溫高應(yīng)變率變形導(dǎo)致的不完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使得晶粒間位錯(cuò)和空位等缺陷分布不均，導(dǎo)致了Mg原子的差異化擴(kuò)散。沉積體呈現(xiàn)均勻細(xì)小的等軸晶組織（頂部平均晶粒尺寸3.28±1.07μm），晶粒在熱循環(huán)過(guò)程中保持穩(wěn)定，更多 HAGBs 的形成主要?dú)w因于靜態(tài)恢復(fù)。與W-FSAM和AFSD相比，P-FSAM因較長(zhǎng)攪拌針（多重的熱力耦合）和較低進(jìn)給壓力（軸向壓縮程度低），呈現(xiàn)出介于兩者之間的位錯(cuò)密度和晶粒尺寸水平。

圖7 不同高度IPF圖、GOS圖以及晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖8 不同高度GND密度和LAGBs占比統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表1 5系鋁合金在AFSD、P-FSAM和W-FSAM三種工藝下的GND密度及晶粒尺寸對(duì)比

4. 力學(xué)性能
研究表明，P-FSAM制備的5356鋁合金沉積體展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和各向同性水平。拉伸測(cè)試結(jié)果顯示，堆積方向和前進(jìn)方向的屈服強(qiáng)度分別為211MPa和218MPa，抗拉強(qiáng)度為353MPa和361MPa，延伸率為23%和27%。維氏硬度測(cè)試表明，沉積件橫截面硬度分布均勻（100-108HV），僅前進(jìn)側(cè)局部區(qū)域（24-28mm）存在輕微波動(dòng)。與WAAM、LPBF等傳統(tǒng)工藝相比，P-FSAM無(wú)需后處理或者改性處理即可實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度與高塑性的平衡，凸顯了固態(tài)增材制造技術(shù)在5系鋁合金構(gòu)件制備中的優(yōu)勢(shì)。

圖9 沉積層力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖10 P-FSAM與其他工藝制備Al-Mg合金的拉伸性能對(duì)比

5. 結(jié)論

· 工藝控制關(guān)鍵：P-FSAM工藝控制的核心在于推桿往復(fù)頻率與工具移動(dòng)速率的匹配，當(dāng)比值超過(guò)臨界值時(shí)，即使低頻送料也能實(shí)現(xiàn)充分產(chǎn)熱和高質(zhì)量沉積。

· 界面結(jié)合情況：通過(guò)攪拌針和螺旋槽的協(xié)同作用，P-FSAM制備的5356鋁合金沉積體表現(xiàn)出顯著的材料混合與流動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)熱塑化材料在沉積區(qū)的Z向流動(dòng)，增強(qiáng)界面結(jié)合。

· 力熱特性：5356鋁合金單道多層穩(wěn)態(tài)沉積階段推力穩(wěn)定在約1 kN，最高溫度達(dá)435°C。預(yù)熱階段需較高推力，但后續(xù)穩(wěn)態(tài)沉積過(guò)程中推力降低并保持穩(wěn)定。

· 微觀組織：動(dòng)態(tài)再結(jié)晶使5356鋁合金晶粒細(xì)化，Al3Mg2相完全溶解。Mg原子非均勻固溶對(duì)宏觀拉伸性能無(wú)明顯影響，晶粒在熱循環(huán)中保持穩(wěn)定，熱循環(huán)中高角度晶界（HAGBs）增多主要由靜態(tài)回復(fù)導(dǎo)致。

· 力學(xué)性能：5356鋁合金沉積體在堆積方向（BD）和行進(jìn)方向（TD）均表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配（屈服強(qiáng)度＞210 MPa，抗拉強(qiáng)度＞350 MPa，延伸率＞20%），優(yōu)于熔融增材制造同類材料的沉積態(tài)性能。

· 應(yīng)用潛力：P-FSAM拓展了攪拌摩擦增材制造技術(shù)的材料形態(tài)適用范圍，未來(lái)可探索金屬顆粒、復(fù)合材料顆粒、聚合物顆粒及金屬?gòu)U料的適用性。多通道旁軸送料工藝有望實(shí)現(xiàn)高效沉積與梯度材料制備。

團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介：
南京航空航天大學(xué)柔性成形技術(shù)及裝備研究團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持“立足空天、服務(wù)國(guó)防”的科研理念，以高質(zhì)量黨建引領(lǐng)高質(zhì)量發(fā)展，以服務(wù)國(guó)家和國(guó)防重大需求為牽引，系統(tǒng)開(kāi)展柔性成形基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、數(shù)字化柔性精確成形裝備研發(fā)與航空航天重大工程應(yīng)用等工作。目前，團(tuán)隊(duì)具有國(guó)家級(jí)高層次人才、國(guó)家級(jí)青年人才、重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國(guó)科協(xié)青年托舉、博新計(jì)劃等教師8名、博士研究生20余名、碩士研究生60余名。

團(tuán)隊(duì)承擔(dān)某國(guó)家級(jí)人才項(xiàng)目、國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、國(guó)家重大轉(zhuǎn)化項(xiàng)目、國(guó)家科技重大專項(xiàng)（07）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)、領(lǐng)域基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家級(jí)青年人才項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（重點(diǎn)、面上、青年、國(guó)合）以及江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)際合作項(xiàng)目等30余項(xiàng)，千萬(wàn)級(jí)項(xiàng)目4項(xiàng)；另外承擔(dān)國(guó)防軍工型號(hào)預(yù)研、民口科技成果轉(zhuǎn)化關(guān)鍵技術(shù)和工藝研發(fā)等企業(yè)橫向項(xiàng)目等20余項(xiàng)。團(tuán)隊(duì)獲授權(quán)專利110余件，出版中英文學(xué)術(shù)專著6部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文240余篇【Nature Communications (IF=16.6)，Progress in Materials Science（IF=37.4），International Journal of Machine Tools & Manufacture（IF=14）】，牽頭制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)；榮獲江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、軍事科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、國(guó)防技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展特別金獎(jiǎng)（大會(huì)最高獎(jiǎng)）等省部級(jí)獎(jiǎng)8項(xiàng)。