基于线材摩擦搅拌增材制造的宏观核壳异质结构材料工程

为突破传统增材制造(AM)在异质结构材料制备中的局限性，研究人员采用新型线材摩擦搅拌增材制造(W-FSAM)技术，成功制备出具有细等轴晶核与粗长晶壳的宏观核壳异质结构铝合金棒材。该结构通过协调材料流动与剪切应变差异实现，其极限抗拉强度达154 MPa，均匀延伸率提升至28.2%，展现出优异的强塑性协同效应。这项研究为轻质结构材料的异质结构工程提供了创新方法，成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

　　

在航空航天领域，轻量化结构设计对材料性能提出了严苛要求。传统异质结构材料制备技术如旋锻(rotary swaging)受限于简单形状加工，而熔融基增材制造(AM)又面临元素挥发、析出相粗化及孔隙缺陷等问题。摩擦搅拌增材制造(FSAM)因其固态变形特性成为突破方向，但现有方法多产生均匀等轴晶组织，难以实现宏观核壳异质结构设计。

安徽科技大学的科研团队创新性地采用线材摩擦搅拌增材制造(W-FSAM)技术，通过调控材料流动与剪切应变梯度，成功制备出具有细等轴晶核(平均晶粒尺寸4.68 μm)和粗长晶壳的ER4043铝合金异质结构棒材。该研究利用双螺旋槽工具设计实现轴向低载荷沉积，结合示踪材料观测揭示了核壳结构的形成机制：搅拌区(SZ)与肩部影响区(SAZ)的剪切应变差异导致核心区经历剧烈动态再结晶，而外围壳层保留变形织构。力学测试显示核区与壳层的极限抗拉强度分别为165 MPa和132 MPa，均匀延伸率为17.1%和26.3%，而整体异质结构棒材展现出154 MPa的强度与28.2%延伸率的协同提升，归因于强化内核与韧化外壳的协调变形产生的异质变形诱导(HDI)强化效应。

关键技术包括：(1)自主研发的W-FSAM设备集成机器人系统；(2)ER4043铝合金丝材与AA6061-T6基板的化学组分示踪；(3)电子背散射衍射(EBSD)与透射电镜(TEM)表征微观组织；(4)数字图像相关(DIC)技术分析非均匀变形行为。

微结构演化
通过EBSD分析发现，核心区由动态再结晶形成的等轴晶组成，而壳层呈现沿沉积方向拉长的变形晶粒。TEM显示核区富含纳米级Al-Fe-Si析出相，而壳层析出相呈链状分布，这种差异源于热机械加工过程中的温度梯度与应变速率分布。

核壳结构形成机制
示踪实验证实，工具双搅拌针间的零应变区与外围SAZ的高剪切应变区形成材料流动分异，导致核心区经历完全再结晶而壳层保留变形织构。热力耦合模拟显示核心区峰值温度达450°C，高于壳层的380°C，这种温度梯度进一步促进了异质结构形成。

力学性能与变形机制
DIC应变场分析揭示拉伸过程中核区优先承载，壳层通过几何必需位错(GNDs)积累缓解应力集中。HDI应力计算表明异质界面产生额外78 MPa的强化贡献，突破了传统混合定律(ROM)预测值。

该研究不仅拓展了FSAM技术在异质结构材料制备中的应用边界，更为轻量化构件性能优化提供了新思路。通过精准调控W-FSAM工艺参数实现宏观尺度组织分异，避免了熔融基AM的固有缺陷，为航空航天复杂构件(如格栅与斜交网格结构)的一体化制造奠定基础。作者团队进一步验证了该方法在AZ31B镁合金与钢/Al复合材料中的普适性，标志着固态增材制造向功能梯度材料设计迈出关键一步。