关于侧向滚动摩擦对微结构及机械性能影响的增材制造研究

《Materials Advances》：A study on the lateral rolling friction additive manufacturing on microstructure and mechanical properties

侧向摩擦搅拌增材制造（L-RFAM）通过优化层间沉积方向提升摩擦热输入效率，采用带有正交交叉沟槽的切削刀具实现固态金属成形。研究以Al-Mg-Si-Sc合金为例，分析了沉积层微观结构演变和力学性能，发现界面结合区抗拉强度达基体95%，延伸率提升27.5%；沉积区抗拉强度下降21.5%但延伸率增加50%。该技术为复杂构件制造提供了新路径。

　　这项研究介绍了一种新型的横向滚动摩擦增材制造（L-RFAM）技术，利用板材作为制造材料，重点优化了横向沉积方向。通过这种方式，可以显著增加摩擦工具与板材之间的接触面积，从而确保足够的热输入，实现高质量的沉积。该技术属于固态增材制造领域，采用具有垂直和水平交错沟槽的铣刀作为工具头，以实现金属结构的制造。研究过程中，对沉积样品的表面形貌、微观结构演变及其性能进行了系统分析。结果表明，L-RFAM成功制造了Al-Mg-Si-Sc合金，并且沉积样品呈现出等轴细晶的微观结构。在接口结合区，其抗拉强度达到基材金属的95%，延展性提高了27.5%。而在增材区域，虽然抗拉强度下降了21.5%，但延展性却提升了50%。这些性能的提升表明L-RFAM在固态增材制造领域具有广阔的应用前景，为未来在材料修复、梯度制造和微型化制造等方向提供了基础性的理论支持。

Al-Mg-Si合金作为一种轻质结构金属，因其低密度、良好的加工性能和高比强度，广泛应用于航空航天、汽车制造以及复杂结构件的生产。然而，传统金属增材制造技术在平衡设备能力、产品性能、几何复杂度和成本方面仍面临诸多挑战。以熔融为基础的增材制造技术虽然推动了制造业的发展，但仍然存在诸如异常晶粒生长、晶粒尺寸分布不均以及宏观结构中出现气孔和裂纹等缺陷。这些缺陷会显著降低构件的机械性能，甚至影响其物理和化学特性，从而限制了Al-Mg-Si合金在高端领域如航空航天和医疗设备制造中的应用。相比之下，基于摩擦搅拌的增材制造技术（FSAM）因其在固态下进行加工，避免了熔融-凝固过程，从而减少了裂纹和气孔等缺陷的产生。同时，摩擦搅拌过程中经历的剧烈塑性变形（如挤出）有助于形成细小的等轴晶粒，进一步提升材料性能。

FSAM技术可以根据原材料形式分为几种类型：基于板材的（S-FSAM）、基于粉末的（PBFS）、基于线材的（W-FSAM）和基于杆材的（R-FSAM）。传统基于板材的FSAM（S-FSAM）使用薄板作为原材料，通过层叠沉积来实现结构制造。例如，Liu M等人通过S-FSAM技术制备了超细晶铜，其疲劳强度达到130 MPa，疲劳比（0.30）与粗晶铜相当。然而，由于垂直沉积方向的限制，沉积材料中往往存在显著的微观结构异质性，包括明显的热机械影响区（TMAZ）和热影响区（HAZ）。这些区域容易产生缺陷，如边缘结合不良，因此只能有效利用搅拌区，导致加工成本高且材料浪费严重。

为了解决S-FSAM中原料定制带来的局限性，基于粉末的摩擦搅拌增材制造（PBFS）技术应运而生。在PBFS技术中，粉末通常被预先放置在旋转工具的前进侧。然而，由于粉末原料松散，摩擦搅拌过程中产生的峰值温度往往不足以充分塑化粉末，导致粉末飞溅。此外，层间结合不良和表面质量差也是常见的问题。为了克服这些缺陷，研究者开发了同步粉末输送（SPF）技术，通过压缩机将粉末连续、同步地输送到旋转工具的前进侧。尽管SPF解决了连续粉末输送的问题，但PBFS（无论是使用预置粉末还是SPF）仍然面临诸如粉末污染和氧化、层间致密性差以及沉积材料表面粗糙度高等问题，这限制了其在制造大型结构中的应用。

基于杆材的FSAM（R-FSAM）技术则利用杆材与基材之间的摩擦热，逐步构建和稳定沉积区域。增材摩擦搅拌沉积（AFSD）通过特别设计的工具几何形状，增强了材料流动和晶粒细化。例如，K. Anderson-Wedge等人使用具有四个泪滴状凸起的工具肩部进行沉积，而Mackenzie E.J. Perry等人则采用靠近进料口边缘的两个小凸起（高度约1.5 mm）的工具。这些工具设计有助于在基材与原料界面处产生更多的热量和机械混合。增材摩擦挤出沉积（AFED）则涉及在旋转主轴中对原料进行热机械塑化，随后将其挤出并沉积到基材上。类似地，摩擦螺杆挤出增材制造（FSEAM）利用带有螺纹的旋转工具将热塑化的材料从进料口输送到喷嘴出口，沉积层的尺寸和形状由专用喷嘴设计控制。尽管R-FSAM在增材效率、沉积质量、结构完整性和材料多样性方面展现出显著优势，但其应用受到杆材或线材原料长度的限制。重复补充原料会导致过渡区域结合不良，影响整体结构的稳定性。此外，R-FSAM的热输入高度依赖于对杆材施加的轴向力，这限制了其在微型化增材制造中的应用。

基于线材的摩擦搅拌增材制造（W-FSAM）技术克服了R-FSAM对高轴向力的依赖，实现了原料的连续输送。例如，Huizi Chen等人开发了一种主要的W-FSAM系统，该系统包括螺旋输送机制以实现线材的连续输送和挤出，并配有三个搅拌针以增强热塑化材料的流动和层间冶金结合。该系统成功制造了半球形和可变直径凸环结构，其抗拉强度达到基材金属的111%。Jingxun Wei等人则通过将线弧增材制造（WAAM）与层间摩擦搅拌处理（IFSP）相结合，显著提升了2024铝合金构件的质量。分析结果表明，IFSP可以溶解共晶相，有效降低孔隙率并细化晶粒结构。Zeyu Zhang等人还建立了一种机器人线材FSAM（R-WFSAM）方法，成功在二维平面和三维表面上制造出致密的铝合金构件。然而，W-FSAM技术仍面临工具头堵塞、原料限制（如合金脆性）以及制造成本高等问题。因此，未来的研究应关注如何通过控制晶粒演变和相变来定制构件的机械性能和微观结构。

尽管存在多种横向板材堆叠的摩擦搅拌增材制造工艺，但其基本过程机制尚未完全明确。L-RFAM技术正是为了解决传统S-FSAM的局限性而提出的，其核心在于对整个沉积层进行加工。这种方法消除了边缘结合不良的问题，并且能够充分利用沉积材料，超越传统搅拌区的限制。因此，本研究旨在：(i) 改进之前的摩擦搅拌增材制造工艺，利用L-RFAM构建具有一定高度的沉积层；(ii) 通过分析L-RFAM构件的形成机制、界面结合质量、微观结构演变和机械性能，评估其工业应用潜力。

在材料准备方面，Al-Mg-Si-Sc合金铸锭通过真空感应熔炼和在550℃下保温12小时进行均匀化处理。随后进行热挤压和T6热处理工艺：首先在560℃下进行固溶处理，保温1小时后进行水淬，然后在175℃下进行人工时效处理，保温5小时后空冷。在多层沉积过程中，使用了尺寸为100×20×2 mm的板材作为原料，而尺寸为100×100×6 mm的板作为基材。基材金属的抗拉强度为253.6 MPa。

在宏观结构特征方面，研究通过金属显微图像和宏观特征分析了L-RFAM沉积材料的性能。由于L-RFAM的加工机制和工具几何设计，材料流动在三个正交平面中表现出显著的变化，从而形成了不同的形态特征。如图4a所示，Z-Y平面的过渡区域呈现出周期性的月牙形条带，X-Y平面则显示出层状结构，其界面呈现线性特征，而Z-X平面则表现出沟槽状的结构特征。这些宏观结构特征的形成与沉积过程中的热力学和力学行为密切相关，反映了材料在不同沉积方向上的流动和变形规律。

此外，L-RFAM技术在界面结合质量、微观结构演变和机械性能方面的表现也值得关注。研究发现，L-RFAM技术能够显著细化材料的晶粒尺寸，从37 μm降低至5.2 μm。在沉积层的结合区域，晶粒尺寸呈现出逐渐减小的趋势，这表明材料在沉积过程中经历了复杂的热机械作用。同时，L-RFAM的沉积材料在界面结合区表现出优异的结合性能，其抗拉强度接近基材金属的水平，而延展性则显著提升。这些性能的提升不仅表明L-RFAM在材料制造中的优势，也为未来在航空航天、医疗设备等高端领域的应用提供了可能。

从整体来看，L-RFAM技术具有显著的工艺优势。其横向沉积方式能够增加摩擦搅拌区域的面积，实现更均匀的加热和更快的热输入。这不仅有助于提升沉积材料的质量，还能够降低加工过程中的能量消耗和材料浪费。同时，L-RFAM的工艺设计使得沉积层的结合区域更加稳定，从而提高了构件的整体性能。这些特点使得L-RFAM在未来的工业应用中具有较大的潜力，特别是在需要高精度和高性能的制造领域。

研究还指出，L-RFAM在沉积材料的微观结构演变方面表现出独特的规律。沉积材料的晶粒尺寸和分布受到加工参数的显著影响，例如工具的旋转速度、进给速度以及轴向力等。通过优化这些参数，可以进一步控制晶粒的细化程度和分布均匀性，从而提升材料的综合性能。此外，L-RFAM的沉积过程还能够促进材料内部的相变和组织演变，这为定制化制造提供了更多可能性。

在实际应用中，L-RFAM技术不仅能够用于制造高性能的金属构件，还能够应用于材料修复和梯度制造等领域。通过精确控制沉积过程，可以在不同区域实现不同的材料性能和微观结构，从而满足复杂工况下的使用需求。此外，L-RFAM的工艺设计使得其在制造小型或微型构件时具有更高的灵活性和适应性，为微型化制造提供了新的解决方案。

综上所述，L-RFAM技术在材料制造领域展现出巨大的潜力。其横向沉积方式、较大的摩擦搅拌区域以及更均匀的加热过程，使得沉积材料在性能和质量方面均优于传统方法。通过进一步优化加工参数和工具设计，L-RFAM有望成为未来金属增材制造的重要技术之一，为航空航天、汽车制造以及精密仪器等领域提供更加可靠和高效的制造手段。同时，L-RFAM也为材料科学和工程研究提供了新的视角，推动了对固态增材制造机制的深入理解。