高強鋁合金攪拌摩擦類增材制造研究進展

劉 鵬 劉峰超 王硯東 方遠方 馬宗義

（1.沈陽理工大學材料科學與工程學院，沈陽 110159；2.中國科學院金屬研究所師昌緒先進材料創新中心，沈陽 110016；3.首都航天機械有限公司，北京 100076）

1 引言

結構輕量化作為提升裝備效能的基礎之一，離不開先進材料和制造技術的支持[1]。高強鋁合金（主要為7XXX 系與2XXX 系鋁合金）憑借密度低、比強度高和塑性好等特點[2]，在航空航天、汽車和軍事工業中作為主要承力構件廣泛應用[2，3]。近年來，業界對大尺寸、高性能整體構件的需求愈發強烈。但高強鋁合金大構件一般要經整體鍛造后還需機加銑削最終成形，周期長、費用高[4]，現有模鍛裝備的加工能力也限制了更大尺寸構件的整體制造。

增材制造（Additive manufacturing，AM）在工業4.0 時代中扮演著重要的角色，在過去三十年中受到了越來越多的關注[5]。增材制造技術是在數字模型的指導下通過逐層累積材料的方式來制備構件[6]。相比傳統制造技術，增材制造技術在生產周期、靈活性、原材料利用率等方面具有一定優勢[7～9]，非常適合小批量、多品種產品的快速研發和制備。同時其尺寸不受限于鑄錠體積和鍛壓設備，非常有利于大尺寸構件的制備。根據2013年美國材料與實驗協會公布的相關標準[10]，增材制造技術可分為七類：粘結劑噴射增材制造、直接能量沉積增材制造、材料擠壓增材制造、材料噴射增材制造、粉末床熔融增材制造、片材層壓增材制造、立體光固化增材制造。近年來，又出現了很多新型的增材制造技術。目前就金屬增材制造技術而言可分為四類：基于電化學的增材制造、基于燒結的增材制造、基于熔化的增材制造、基于塑性變形的增材制造，如圖1所示。

圖1 典型的金屬增材制造技術

高強鋁合金具有導熱率高、熱膨脹系數大的屬性[11]，對其進行熔化增材時會產生一定程度的氣孔[12]、裂紋[13，14]、合金元素燒損[13]和應力變形[15]，從而導致增材構件材料的力學性能往往低于鍛件。與熔化增材制造技術不同，攪拌摩擦類增材制造技術是材料固相演變的過程，可大幅降低高強鋁合金因熔化和凝固產生缺陷的機率[16]，增材材料經過劇烈的塑性變形，形成晶粒細小、織構較弱且無孔洞、裂紋等缺陷的組織，這對提升增材材料的綜合力學性能有著較大幫助。因此，攪拌摩擦類增材制造技術是實現大尺寸高性能高強鋁合金構件制備的有效手段，近些年得到了越來越多的學者和行業從業者的關注與研究[17]。本文針對高強鋁合金攪拌摩擦類增材制造的研究現狀、存在挑戰和未來發展趨勢展開評述，為高強鋁合金攪拌摩擦類增材制造的研究提供有益參考。

攪拌摩擦類增材制造技術是在攪拌摩擦焊接（Friction stir welding，FSW）基礎上的一次技術飛躍[18]。FSW 是由英國焊接研究所于1991年發明的新型固相焊接技術[19]，其原理是利用快速旋轉的攪拌工具使待焊接材料發生劇烈塑性變形，隨著攪拌工具沿待焊接材料連接縫旋轉移動，將攪拌工具前方的材料轉移到工具后方，并在軸肩的配合作用下形成致密的焊縫[20，21]。與熔焊相比，攪拌摩擦焊不涉及材料的熔化與凝固，非常適合高強鋁合金的焊接。

攪拌摩擦類增材制造技術利用攪拌摩擦在被沉積材料中引入劇烈塑性變形和溫升，實現材料在塑性流變過程中逐層累積，最終形成增材構件。攪拌摩擦類增材制造技術根據制造工藝過程特點主要分為六種：摩擦表面沉積增材制造（Friction surfacing deposition additive manufacturing，FSDAM)[22～24]、板材攪拌摩擦增材制造（Sheet-based friction stir additive manufacturing，S-FSAM）[25，26]、攪拌摩擦沉積增材制造（Additive friction stir deposition，AFSD）[27，28]、絲材攪拌摩擦增材制造（Wire-based friction stir additive manufacturing，W-FSAM）[29]、側向滾動摩擦增材制造（Friction and rolling based additive manufacturing，FRAM）[30～32]、摩擦擠壓沉積增材制造（Additive friction extrusion deposition，AFED）[33]。

FSDAM 技術是在摩擦堆焊（Friction surfacing，FS）技術基礎上發展起來的[34]。如圖2a所示，FSDAM利用消耗型棒材為原料，對高速旋轉的棒材施加軸向力，使棒材的底面和基板的表面接觸并產生摩擦熱，棒材軟化并塑性變形，棒材按照設定路線移動，使得熱塑化棒材沿著設定軌跡沉積在基板上，根據所需增材樣品的形狀，逐層進行增材。沉積層之間的冶金結合通過層間的混合和塑性變形來實現。如圖2b、圖2c所示，分別為FSDAM 過程[22]和典型FSDAM 樣品[35]。

S-FSAM 技術是在攪拌摩擦搭接焊基礎上發展而來的增材制造技術。如圖3a所示，S-FSAM 技術的原理是將板材堆疊在一起，并通過攪拌摩擦搭接焊的方式進行逐層增材，最后根據所需形狀，進行后續減材加工，得到最終樣品。如圖3b、圖3c所示，分別為S-FSAM 過程和典型S-FSAM 樣品[36]。

圖3 S-FSAM 原理及應用

AFSD 技術也被稱為MELD，是由美國MELD 公司開發的固相增材制造技術[37]。AFSD 技術原理如圖4a所示，通過旋轉的中空工具輸送棒、屑或粉等形式的原料，從旋轉中空工具中推出的材料在軸向頂鍛力的作用下與基板或已沉積材料劇烈摩擦，原料在摩擦熱和變形熱的作用下軟化。當材料被擠壓到所需的寬度后，肩部開始橫向運動，形成一層材料的沉積。通過有選擇地在之前的沉積層上添加后續沉積層來制作三維部件。這項技術可以避免在FSDAM 過程產生的大量飛邊問題。如圖4b、圖4c所示，分別為AFSD 過程和典型AFSD 樣品[16，38]。

W-FSAM 技術是在填絲靜軸肩攪拌摩擦焊基礎上發展而來的固相增材制造技術[39]。W-FSAM 技術原理如圖5所示[29]，主要包括一個帶送絲口的儲料腔，一個螺桿輸送結構和攪拌探頭。螺桿輸送結構用于將絲材截斷成金屬顆粒，并將顆粒料連續輸送到攪拌探頭與前序沉積層形成的攪拌空腔內。在探頭的攪拌作用和后續來料的擠壓作用下，材料達到粘塑性狀態后工具橫向運動，完成一層材料的沉積。根據所需，在之前的沉積層上添加后續沉積層來制作三維部件。

FRAM 技術是由Xie 等人[30～32]提出的一種側向滾動摩擦增材制造技術。FRAM 技術原理如圖6所示，首先帶有螺紋的工具快速旋轉并壓入基板頂部，然后使絲材或薄片的原料從側面進入旋轉工具與基板的接觸面，將原料攪拌到旋轉工具的下方，最后旋轉工具向前運動，攪拌混合的原料和基板材料被傳輸到旋轉工具后方，形成增材層，如圖6a所示，通過逐層沉積，制備出所需的樣品。如圖6b所示，為FRAM 過程和帶有螺紋的旋轉工具。

圖6 FRAM 原理及應用

AFED 技術是由Liu 等人[40]在2019年提出的一種新型固相增材制造技術。其技術原理如圖7a 和圖7b所示，首先將棒、屑或粉等形式的原料送入非旋轉的空腔，在送料機構的作用下，原材料被送向高速旋轉的擠壓沉積模具，與擠壓沉積模具上表面高速摩擦，使擠壓沉積模具附近的原料受摩擦和變形熱達到粘塑性流變狀態，軟化的材料在擠壓沉積模具的開口處擠出，并被沉積在預定路線上，從而形成增材層，通過逐層沉積，制備出所需的樣品。該技術具有對原材料要求低，制造成本低，成型快等優點。AFED 設備和過程以及典型AFED 樣品[33]，見圖7c、圖7d。

圖7 AFED 原理及應用

2 高強鋁合金攪拌摩擦類增材制造研究現狀

與基于熔化的增材制造技術相比，攪拌摩擦類增材制造技術在制備高強鋁合金大構件方面具有明顯優勢。目前，國內外學者針對這幾種攪拌摩擦類增材制造技術對高強鋁合金增材材料組織演化、性能分析、工藝特征等方面展開了研究。

2.1 摩擦表面沉積增材制造（FSDAM）

目前對FSDAM 技術在高強鋁合金增材制造領域的研究較少，現有研究主要圍繞增材后材料組織演變和力學性能展開。Tokisue 等人[41]在2006年以2017 鋁合金棒材為原料，在5052 鋁合金基板上進行單層和雙層摩擦沉積增材實驗，研究了單層和雙層增材對材料的組織和力學性能的影響。結果顯示單層和雙層沉積樣品均形成了等軸細晶組織，增材樣品硬度與原始棒材硬度相當（131HV）。但是此研究中的增材樣品構筑層數有限，對制造大型構件的說服力不足。Dilip 等人[42]在2013年對可熱處理強化的2014 鋁合金進行了多層FSDAM 實驗，研究發現，相比于原始母材，增材過程中的多次熱循環使得多層沉積樣品中沉淀相粗化，見圖8a，導致增材樣品材料的強度下降。為了提升強度，對其進行了固溶加時效熱處理，但固溶處理導致增材樣品發生晶粒異常長大，見圖8b，晶粒異常長大往往會降低高強鋁合金增材構件的抗疲勞強度和尺寸穩定性[43，44]。

圖8 高強鋁合金基于FSDAM 研究結果及應用

就FSDAM 技術而言，增材過程沉積層邊緣因受壓不足容易形成未連接缺陷，見圖8c[42]，引起樣品服役性能的降低。另外產生大量飛邊，可能會造成材料的浪費和增材過程的中斷。目前來說針對高強鋁合金的FSDAM 技術研究還處于起步階段，還需對相關的成形控制以及增材材料微觀組織演化機理進行深入研究。值得一提的是，FSDAM 技術除作為增材技術外，其在表面改性、缺陷修復和涂層制備具有廣泛的應用前景。早在2003年德國German and International Diving Contractor 公司[22]將FSDAM 技術與Tricept TR 805 robot 機器人相配合成功修復半徑為400mm 的圓柱形零件，見圖8d。

2.2 板材攪拌摩擦增材制造（S-FSAM）

早在2006年，美國空客公司就利用S-FSAM 技術制造2025 鋁合金飛機翼肋，發現其具有成形良好、更加環保和層間結合強度高等優點[45]。但是當時并沒有引起研究學者的足夠關注。直到2015年Palanivel 等人[25]發表了關于S-FSAM 的研究論文，之后越來越多研究學者開始開展S-FSAM 技術研究。Zhao 等人[45]和Shen等人[46]分別對2195 合金進行S-FSAM，均發現增材材料的硬度存在自上而下降低的趨勢，造成硬度變化的原因是增材過程的熱循環會造成已沉積材料沉淀相的粗化和溶解，底層位置經歷熱循環次數較上層更多，因而沉淀相自上而下發生粗化和溶解的程度逐漸增大。

由于增材材料硬度偏低且不均勻，很有必要對增材樣品進行熱處理。He 等人[47]和Mao 等人[48]分別對增材后的7N01 和7075 鋁合金增材后的樣品進行了時效熱處理，結果表明硬度和抗拉強度隨著時效時間的增加而增加，但都無法恢復到原始母材的水平?？梢奡-FSAM 過程的機械熱循環對高強鋁合金造成沉淀相粗化和溶解的問題很難通過后續的熱處理完全解決。

為了緩解S-FSAM 對高強鋁合金造成的沉淀相粗化和溶解問題，一些學者進行了水下S-FSAM 實驗，以降低增材過程的熱輸入。Li 等人[49]對7 系合金進行了水下S-FSAM 實驗，結果表明水下S-FSAM 實驗有效避免了沉淀相粗化和溶解的問題。經過100℃時效48h 后，增材材料的平均硬度值達到178HV，抗拉強度達到了523MPa，達到了7 系鋁合金鍛態水平[50]。He 等人[51]使用7N01 鋁合金作為母材，在風冷和水冷條件下進行S-FSAM 實驗，通過對比發現由于水的冷卻作用，后續的熱循環效應減弱，從而抑制沉淀相粗化和溶解。經過90d 的自然時效后，水冷增材樣品材料的硬度分布比空冷增材樣品材料更加均勻。水冷輔助為可熱處理強化鋁合金的板材攪拌摩擦增材制造提供了避免沉淀相粗化和溶解的有效途徑。

作為增材制造技術，S-FSAM 的短板也很突出，其加工過程采用的是板材逐層累積增材方式，靈活性相對較低，為得到特定的形狀和消除邊緣未連接的部分，后續還需要對增材樣品進行減材加工。同時，增材之后的樣品可能存在類似攪拌摩擦搭接焊時的hook缺陷和界面未結合現象，見圖9[47]，從而導致連接強度降低。

圖9 高強鋁合金基于S-FSAM 研究結果[47]

2.3 攪拌摩擦沉積增材制造（AFSD）

2018年美國MELD 公司推出了可商業化應用的AFSD 設備，并指出AFSD 技術具有制造大構件、效率高和應用范圍廣等優勢[52]。之后越來越多的研究學者開始開展AFSD 研究。AFSD 技術與FSDAM 技術、S-FSAM 技術均是基于攪拌摩擦對材料進行熱塑化的。因此沉淀強化鋁合金在進行FSDAM 和S-FSAM 時出現的沉淀相粗化和溶解的現象同樣會出現于AFSD 中。Avery 等人[53]采用AFSD 技術制備7075 鋁合金增材樣品，并對其顯微組織演變和疲勞性能進行研究。結果表明7075 鋁合金在AFSD 后沉淀相發生了粗化，導致其疲勞性能降低。Mason 等人[54]的研究結果也表明AFSD 后7050 鋁合金增材樣品底層相對頂層的沉淀相更加粗大，見圖10a，進而硬度和拉伸性能自上而下逐漸降低。

高強鋁合金增材后沉淀相的粗化限制了構件材料力學性能的發揮，需要后續熱處理來提高增材構件整體的力學性能。Yoder 等人[55]在2021年利用AFSD 方法對7075 鋁合金進行增材制造，然后經過適當的固溶和時效處理后，構件材料的屈服強度、抗拉強度和延伸率達到477MPa、541MPa 和8.2%。與熔化增材制造的高強鋁合金樣品相比，增材樣品材料的力學性能得到大幅提升[13]，可與其鍛態力學性能相媲美。

層間結合是影響增材材料構筑方向力學性能的關鍵因素，在通過AFSD 技術制備大型構件時需要重點關注。AFSD 界面處的材料流動情況對界面連接起著重要作用，所以很有必要闡明AFSD 界面處的材料流動情況。2018年Rivera 等人[56]利用AFSD 技術制備2219 鋁合金，其研究證明了AFSD 可以形成高質量的界面，但并未說明增材時界面處材料的流動情況。直到2020年Perry 等人[57]對2024 鋁合金進行AFSD 研究。借助X 射線掃描手段表征了AFSD 界面處材料的流動情況，結果表明2024 鋁合金和基板之間結合良好，而且沉積層的前進側形成了魚鰭狀和鋸齒狀的結構，而在后退側則是光滑的結構，見圖10b，這種現象是界面處的進料受到擠壓和工具，如圖10c所示的攪拌導致材料流動相互作用的結果[58]。經過不斷的探索，AFSD 技術目前具有了制造高性能大構件的能力[59]，見圖11。

2.4 摩擦擠壓沉積增材制造（AFED）

AFED 技術將摩擦面轉移到原料與旋轉模具之間，使原料在接觸沉積層之前軟化，可以避免FSDAM 和AFSD 技術中對下層金屬施加較高的壓力，因此，下一層的沉積不需要等到之前的沉積層冷卻變硬。其次，AFED 過程中棒料不旋轉，這是實現連續填料打印的基礎，可顯著提高打印效率。另外，AFED 技術支持多種類、多形態棒/屑/粉金屬原材料，可顯著降低制造的成本。同時，AFED 技術還可以應用在表面修復、焊接、金屬回收再利用、新材料以及復合材料研制等領域。

Liu 等人[33]在2023年利用AFED 技術，以6061鋁合金為原料制備出了致密無缺陷的增材樣品，研究結果表明T6 熱處理后的增材材料的硬度，如圖12a、圖12b所示，抗拉強度和延伸率與鍛態T6 熱處理后的6061 鋁合金相當。為了證明AFED 技術對下層金屬施加較小的壓力，作者對AFED 增材過程對基板施加的壓力進行了測量，發現壓力在10～21MPa 之間。最后作者也指出隨著增材制造行業的不斷發展，在未來AFED 技術可以實現致密金屬增材較好的經濟效益，并為高性能大型金屬構件的制備提供先進技術支撐。

圖12 6061 鋁合金基于AFED 研究結果

目前尚未有關于利用W-FSAM技術和FRAM技術制備高強鋁合金的報道，但隨著技術工藝和工具的改進、攪拌摩擦增材理論對實踐更加明確的指導，將來會出現相應方法制備的增材構件。六種典型攪拌摩擦類增材制造技術在制備高強鋁合金構件時具有獨特優勢，各具特色，表1 對六種典型攪拌摩擦類增材制造技術在原料選擇、優勢、限制和共同特征幾個方面進行了總結比較[58]。

表1 六種典型攪拌摩擦類增材制造技術的比較[58]

3 高強鋁合金攪拌摩擦類增材制造存在的挑戰

攪拌摩擦類增材制造技術可以彌補高強鋁合金在進行熔化增材時的一些限制，同時其在商業化之前仍有許多挑戰需要克服。

3.1 增材樣品后續熱處理

高強鋁合金一般為沉淀強化鋁合金，在增材過程中經過多次熱循環后沉淀相可能會粗化或溶解，造成增材樣品內存在組織梯度和力學性能梯度，影響材料的使用性能。因此，需要對增材樣品進行后續的熱處理來恢復其材料力學性能。但是增材材料與傳統變形態材料在微觀組織上存在很大差異，這可能會導致不同的擴散特性和晶界遷移特性，傳統的熱處理技術體系很難適用于增材材料，新熱處理工藝的開發還需要進一步研究。

3.2 制造復雜零件的能力

目前來說攪拌摩擦類增材制造技術依賴于軸向壓力（FRAM 技術除外）使材料在攪拌摩擦過程中達到粘塑性狀態，一般采用龍門型重型設備滿足對設備高剛度、高載荷的要求，但這導致設備靈活性較差，難以實現復雜路徑的運動。攪拌摩擦類增材制造依賴于已有增材層提供剛性支撐實現相鄰層之間緊密的結合，這導致在制造中空和懸壁類構件時存在一定難度。后續需要和減材加工配合達到需要的效果。目前攪拌摩擦類增材制造技術的特征分辨率較低（＞10mm）[60,61]，遠達不到電子束/激光增材的成形精度。但較低的分辨率是顯著提升沉積速率的關鍵因素之一，其中MELD技術在制備鋁合金時沉積速率高達9.1kg/h[17]，對大尺寸構件的快速成型十分友好。這也是攪拌摩擦類固相增材制造技術的主要應用方向。

3.3 增材過程監測與反饋控制技術

目前攪拌摩擦類增材制造的加工過程缺乏智能監測與控制技術。通過先進的傳感器對增材過程各軸的壓力和扭矩、增材構件溫度場和表面形貌進行監測，建立起工藝參數-監測數據-材料性能的聯系。通過優化反饋控制算法，實現增材過程的實時調控，最終實現過程優化和質量保證。通過過程感知，逐步實現制造過程自動化和智能化，有助于優化打印策略、提升增材效率與增材質量[62]。

4 結束語

國內外學者通過對攪拌摩擦類增材制造技術制備高強鋁合金構件的研究，證明了采用此類技術進行高強鋁合金增材制造可有效避免凝固缺陷，顯著提升增材材料的力學性能，證實了該類技術的獨特優勢。但此類增材制造技術的研究和應用仍處于初級階段，關于該類技術所涉及的材料變形沉積機理、增材過程的優化控制、大構件制造工藝以及構件可靠性等方面還需深入研究。在之后的研究中應該根據材料種類和構件類別逐步建立工藝參數-過程監測-微觀結構-材料性能的關系。這樣更有助于推動攪拌摩擦類增材制造技術相關技術的快速發展和應用。