攪拌摩擦增材制造方法研究進展*

暢海丞，張貴鋒，王鑫煒，趙啟宏，王書杰

（西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室， 西安 710049）

0 前 言

增材制造（additive manufacturing, AM） 技術，亦稱3D打印技術，是20世紀80年代后期發展起來的一種先進制造技術。與傳統的通過切削方式生產零件技術不同，增材制造使用粉材、絲材、線材作為原材料，通過熔化-凝固、逐層累加材料的方式對3D 零件直接成型。相對于傳統切削加工制造技術(減材制造)，增材制造方式具有近凈成形、加工余量小、加工效率高、免用模具等優點，并且極大地減少了傳統減材加工中對材料的浪費[1]，可避免難加工、塑性差的材質在切削或冷加工變形中出現的開裂，或避免高溫重載的耗能加工變形條件。

增材制造技術呈現如下發展歷程：①增材原材料已從低熔點的聚合物發展到高熔點金屬，從粉材（粉床與送粉兩種供粉方式）發展到線材與板材；②增材所用能源從激光發展到電弧、電子束、等離子束等；③以摩擦、超聲振動為能源的固相增材制造技術。目前關于AM 的研究主要集中在增材原材料的設計與制備（如高純細徑粉末）、增材工藝優化、增材件成形-組織（含缺陷）-性能調控研究（形-性調控）?，F有熔化-凝固過程，導致最終部件中往往存在一系列缺陷，例如內部孔隙、裂紋、合金元素燒損、致密性差、局部冶金缺陷等，這種缺陷在鋁、鎂等輕質合金中的體現尤為明顯[2-3]。即使無缺陷的增材件也存在晶粒粗大的問題，使增材件的性能難以超越傳統軋制件。

現有的攪拌摩擦增材技術分為兩個大類：基于攪拌摩擦搭接焊的以板材為原材料的“攪拌摩擦搭接增材（FSAM）”與以棒材或絲材為原材料的“攪拌摩擦沉積增材（AFSD）”。本研究重點對迄今已公開報道的三種攪拌摩擦增材制造技術進行了介紹和分析，為相關研究人員提供一定的參考。

1 攪拌摩擦增材制造方法概述

攪拌摩擦焊接（friction stir welding，FSW）于1991 年由英國焊接研究所首先提出，屬于固相連接技術的一種[4]。FSW 所用旋轉工具由同軸的軸肩與攪拌針兩部分組成，它通過高速旋轉的軸肩產生的摩擦加熱作用、擠壓作用和插入焊接界面的攪拌針的攪拌作用，使待焊接部位發生軟化，并利用旋轉工具的周向驅動與軸肩的豎向擠壓形成的塑性流動，在攪拌頭行進過程中將攪拌針兩側處于軟化狀態的材料進行攪拌混合，通過塑性流動形成致密的焊縫組織，實現固態連接。

攪拌摩擦增材的要點在于專用工具的開發（需匹配增材原材料的形狀）、增材材料送給方式、熱-力調控、外觀成形、界面結合、工具冷卻等多個方面。尤其欲實現原材料的連續送進時，攪拌摩擦專用工具研發難度增大。通過對工具的設計改進，現已實現對不同形狀原材料的累加增材。攪拌摩擦增材技術以攪拌摩擦焊接技術原理為基礎，利用不同旋轉工具的熱-力作用，通過攪拌頭或特殊工具反復作用將待增材金屬反復逐層堆積在基材上，從而獲得完整3D 零件。

與當前備受關注的熔化增材技術相比，基于固相焊原理的攪拌摩擦增材技術具有如下優點：①在增材過程中材料不發生熔化，避免了熔化-凝固過程中出現的氣孔、結晶裂紋等缺陷；②攪拌摩擦增材制造過程還能誘發再結晶，使最終得到具有細小晶粒的鍛造組織；③攪拌摩擦增材過程以工具與材料表面的摩擦熱作為熱源，不存在弧光、飛濺等工藝缺陷。攪拌摩擦增材技術可以較好地解決鋁合金、鎂合金等合金熔化增材制造的弊端，因此在輕質合金增材制造方面具有獨特的優勢與發展前景[5]。

目前，攪拌摩擦增材制造技術主要包括：①采用“實心軸肩+板材”的攪拌摩擦增材（friction stir additive manufacturing, FSAM）[6]，實質就是采用傳統帶針工具的多層攪拌摩擦搭接焊；②采用“空心軸肩+棒材送進”的攪拌摩擦沉 積 增 材 （additive friction stir deposition,AFSD）[7]，該技術還可以把粉材、金屬切屑、切斷的短絲材預壓制成棒型坯材，然后再利用中空攪拌頭進行攪拌摩擦增材，具有選材范圍廣泛、高效連續送進的綜合優勢；③哈爾濱工業大學黃永憲在2022 年首次報道的絲材連續送進式攪拌摩擦沉積增材技術[8]。

2 基于多層攪拌摩擦搭接焊的攪拌摩擦搭接增材（FSAM）技術

FSAM （friction stir additive manufacturing）技術的增材過程類似于多層攪拌摩擦搭接焊的過程，如圖1 所示[9-10]，其所用工具為FSW 中常用的帶針工具。這種增材技術最早由White[11]于2002 年以專利的形式提出，在2006 年由空客公司首次商用以生產Al-Li 2025 合金肋板。這種方法一般的工藝過程為提前準備好用于增材制造的板材，去污、清洗后重疊進行裝夾，在適當的工藝參數下，進行焊接完成第一次增材過程，后續則重復這一過程直至增材體達到所需高度[12]；與攪拌摩擦搭接焊的區別在于，在完成每層的攪拌摩擦搭接增材后，需要去除飛邊并加工表面，最后把增材體毛坯經一定精加工后獲得成品[13]。

圖1 FSAM技術示意圖

FSAM 質量與多個工藝參數相關，除了FSW常見參數外，攪拌針形狀對增材質量也有影響，天津大學趙榟鈞等研究發現，偏心圓、三凹面圓弧槽狀攪拌針有利于促進界面混合，從而提高增材質量[14]。Sigl 等[15]研究發現，通過使用雙輥固定和旋轉工具可得到無缺陷的7075 鋁合金結構。

除工藝、工具因素外，用于FSAM 的材料本身厚度、類型、成分、性能也是影響FSAM 質量的重要因素。Zhang 等[16]研究了不同厚度的板材對于FSAM 質量的影響，結果證明在一定范圍內層厚的增加導致增材過程中溫度降低，從而使晶粒得到細化，一定程度上提高了增材體的力學性能。

總的來說，FSAM 技術具有生產效率高、材料利用率高的優勢，從而有能力實現大型零部件的制備，可使用的沉積材料范圍廣，并且具有優異的冶金組織與性能。Palanivel 等[17]成功使用Mg-4Y-3Nd合金進行FSAM，后續研究發現相比于原合金，由于消除了加工硬化，增材制造所得增材體硬度、延展性均有提高。Wlodarski[18]則采用三道平行焊縫進行焊接，制備了大面積無體積缺陷的7層AZ31板形成的增材體。但由于使用帶針工具的FSAM技術主要源于攪拌摩擦搭接技術，在繼承了FSLW 技術優點的同時，也引入了一系列FSLW 技術難以避免的缺陷，包括單道焊合寬度狹窄（僅為攪拌針的直徑）、搭接界面鉤狀缺陷（圖1（b））[10]、空洞缺陷、吻合連接缺陷等[19]，同時層間打磨影響增材制造的連續性，這些缺陷與焊接參數的選擇、工具形狀尺寸等因素有關[20-21]。因此，需要采用新的方法盡量避免或削弱上述缺陷對增材質量的影響。

3 采用空心工具與棒材送給的攪拌摩擦沉積增材（AFSD）技術

與攪拌摩擦搭接增材相比，攪拌摩擦沉積增材具有能連續增材的優點，目前有棒材沉積與絲材沉積兩種方式，兩者在工具設計、增材材料形狀、增材材料送進方式方面存在顯著差別。添加棒材沉積式攪拌摩擦增材（additive friction stir deposition，AFSD）是美國MELD 公司開發的固相增材專利技術，最早出現的AFSD 技術采用棒材作為進給材料，同時配套采用中空式無針軸肩作為攪拌工具，其原理如圖2 所示[22]。其核心技術有3 個方面：一是工具方面，所用軸肩為空心型軸肩，這是根本性的創新點所在；二是增材原材料形狀為實心棒狀（圓形截面或方型截面）；三是從頂部加壓，保證原材料的連續送給。該工藝具有較好的連續性，表現在2 個方面，一是同一個棒料可連續送給；二是下一個棒料在前一個棒料尚未完全消耗完之前就可以投入軸肩空心內，保證不間斷進行增材制造。

圖2 采用中空無針工具與棒材實現AFSD技術原理示意圖

在AFSD 工藝過程中，首先由填料腔上方的進給桿隨刀具旋轉并向母材方向進給，填料棒在這個過程中與母材接觸，通過摩擦產生熱量，摩擦熱使填料棒軟化后填充在工具與母材之間的空隙處，在摩擦熱和大塑性變形的共同作用下，填料棒與母材間形成冶金結合；當沉積過程穩定后，工具開始按照預設的數控程序運行，最終獲得目標所需的增材體。在工藝過程中，主要參數包括工具轉速、工具行進速度、粉材或棒材進料速度、工具形狀等[23]。

與FSAM 采用已有板材進行逐層搭接實現增材制造過程的思路不同，添加棒材沉積式攪拌摩擦增材（AFSD）技術是使用特殊的空心軸肩攪拌頭作為工具，直接將棒材送入空心無針工具中，通過在添加棒材頂部施加軸向壓力，在無針軸肩旋轉產生的熱-力作用下實現連續增材的工藝方法。根據送進材料的形狀與送料方法的不同，可以將現在主流的AFSD 技術分為兩種：①直接送入棒材實現增材的AFSD 技術；②先將粉材、短絲材、切屑和絲材預壓成較緊密的棒形坯料（可避免加壓時失穩）再進行增材的AFSD技術。

該技術關鍵點是所設計的工具為無針空心軸肩，將金屬棒材提前放入特制的空心軸肩中，并同時施加軸向壓力。棒料較粗，更方便加壓，避免了細絲情況下加壓易出現失穩變形的問題。無針空心軸肩的設計既解決了材料的送給問題，又可直接將增材材料送至摩擦區中心。中心施壓一是保證了棒料端面與基材表面之間的接觸摩擦；二是保證驅動棒料能從工具端面與基材表面之間的縫隙流出，受壓材料優先向阻力小的前方間隙流動。通過軸肩的摩擦熱使得棒材達到塑性狀態，通過軸向壓力與攪拌頭行進時的軸肩壁厚部位的摩擦、拖拉、碾壓綜合作用使塑性狀態的材料均勻地沉積在基材表面[24]；同時，作為原材料的棒材在軸向壓力的作用下緩慢送進，從而實現連續增材制造過程。

MELD 公司提出的AFSD 技術還有選材范圍廣、對原材料形狀限制小的特點。Agrawalp 等[25]將回收的Ti-6Al-4V 切屑用于AFSD 技術，采用WC 耐磨耐高溫工具，獲得了具有優異性能的TC4 金屬。Beck 等[26]使用AFSD 技術實現了對Al-Mg-Mn 合金切屑的直接回收，最終所得的樣品與原本的合金具有近似的力學性能。Babaniaris 等[27]使用切屑重新制造了AA6063 合金，測試發現得到的樣品與原合金具有近似的力學性能。這表明ASFD 在綠色制造方面具有廣闊的前景。此外，除了常規的鋁合金、鎂合金等輕質合金外，Agrawal等[28]使用AFSD技術實現了對CS-HEA 高熵合金（Fe40Mn20Co20Cr15Si5）的增材制造，所得成品的屈服強度可達450 MPa，具有優異的抗拉性能。

在水下使用AFSD 技術制造一些結構或對已有結構進行修復的思路也在近年被提出。傳統增材制造方法由于存在熔化與凝固過程，在水下熔池難以保持穩定[29]；而在AFSD 技術中，材料的進給和沉積過程由機械力作用實現，受到水的影響較小，因此在水下操作方面具有一定前景。Griffiths 等[30]在AFSD 設備下方安裝了水槽，實現了在深度50 mm 的水下以304 不銹鋼作為基材和沉積材料的攪拌摩擦沉積增材，證實了水下AFSD的可能性。

4 連續絲材送進攪拌摩擦沉積增材（AFSD）技術

MELD 公司開發的添加棒材AFSD 技術在今年得到廣泛關注，但是由于使用的棒材要提前預置在設備內部，棒材消耗完后需要從中空軸肩中抽出壓頭停機補充棒料，并需要重新進行裝夾，從而使送料過程不具備連續性[31]，因此，需要開發一種能夠連續送料的攪拌摩擦沉積增材技術，采取絲材連續送進的方式進行送料可以保證送料過程的連續性。應該指出，以絲材為原材料進行AM 時，送絲方式與電弧焊的自動送絲方式類似，軟質絲應采用“拉絲”方式送給，硬質絲可采用“推絲”方式。對于軟質的鋁絲而言，應采用拉絲方式送給，否則采用推絲、壓絲類方式會引起旁彎失穩變形。

攪拌摩擦沉積增材（AFSD）技術中，工具設計是核心技術。哈爾濱工業大學黃永憲研究團隊在2022 年最早報道了以絲材為原材料的攪拌摩擦沉積增材技術，該團隊自主研發了一套以絲材作為沉積材料的攪拌摩擦增材系統，該系統由用于填充和儲存絲材的儲料腔、用于將絲材熱塑化并連續擠壓進行攪拌處理的攪拌頭和連續送絲機三部分組成，其原理如圖3 所示。通過這套系統實現增材制造的過程可以被分為絲材輸送、材料熱塑化、增材成形三個階段，絲材由送絲機經儲料腔側面的通孔送入內部槽中，由螺桿上的矩形螺紋將其裁剪成多個段狀金屬顆粒，段狀顆粒沿螺紋逐漸向下運動并在儲料腔中積累，段狀材料逐漸被壓緊并在熱作用下逐漸達到塑化狀態，塑性狀態的金屬材料組織與成分在受到攪拌頭底部攪拌針的攪拌作用變得更加均勻，最后實現增材成形。在增材過程中通過不斷改變機構旋轉行進的方向，重復這一過程使結構達到目標高度，最終得到了具有良好力學性能的結構。采用直徑2.4 mm 的AA4043 鋁合金絲材，在3 mm 厚的基板上得到的增材體，抗拉強度可達287.3 MPa[8]。該團隊目前在工具研發方面持續推進，設計、改進了一系列用于優化最終增材體性能的增材工具，包括使用強制液冷的方法去除表面切屑[32]、使用彈性機構連接攪拌工具的旋轉與非旋轉部位的浮動式工具對零件表面進行增材修復[33]、通過外加超聲振動系統消除增材過程中產生的殘余應力等[34]。

圖3 以絲材為原料的攪拌摩擦沉積增材技術示意圖

Bor 等[35]將此增材方法稱為攪拌螺紋擠壓增材制造。他們以相似的思路設計了另外一種攪拌摩擦沉積增材系統，也采取了將絲材從徑向儲料腔沿徑向送入的方式，通過錐形帶螺紋的攪拌頭將絲材擠壓、塑化并送至基材表面，實現增材制造。

為了消除攪拌摩擦焊接T 形接頭的部分缺陷，天津大學李東曉、楊新岐等自主研制了一種填絲靜止軸肩攪拌頭（如圖4 所示），實現了在攪拌摩擦焊過程中連續送進絲材[36]，這種模式也可以用于AFSD 技術解決送料不連續的問題。楊新岐等還設計了針對攪拌摩擦增材制造產品的后處理方法，采用控制溫度進行熱處理，通過初步深冷處理、初步消應力處理、固溶處理、二次深冷處理、深冷形變處理、二次消應力處理、時效處理的循環過程降低殘余應力并細化晶粒，從而提高鋁基增材體的性能[37]。此外，天津大學崔雷等設計了將絲材送料盤置于攪拌工具上方的連續擠壓同軸送料裝置，將絲材直接從工具上方送入，實現連續同軸送料，從而提高了增材效率[38]。這種送料方式與前文中提到的黃永憲團隊、楊新岐團隊側向送料的形式不同，是一種新的設計思路。

圖4 填絲T形接頭工具示意圖

5 結束語

綜上所述，現有的攪拌摩擦增材制造技術中，“實心軸肩+板材”的攪拌摩擦增材技術最早被提出，但由于該方法加工方式的特殊性存在一些缺點，導致其發展受到一定限制；而以“空心軸肩+棒材”的攪拌摩擦沉積增材技術、“空心軸肩+絲材”的攪拌摩擦沉積增材技術在近些年受到廣泛的關注，這兩種攪拌摩擦增材方法具有可連續增材的優越性，目前已被一些機構用于裝置修復、零件制造等領域。連續絲材送進攪拌摩擦增材的核心技術在于工具與送絲方式的設計與創新，近年哈工大黃永憲團隊在相關裝置、設備方面做出了一系列研究，目前以絲材作為沉積材料的攪拌摩擦增材技術正在逐步發展并趨于成熟，未來這種方法具有更加廣泛的應用前景。