高压气冷辅助摩擦滚动增材制造优化Al-Zn-Mg-Cu合金微观结构与力学性能的协同调控机制

为解决Al-Zn-Mg-Cu合金在固态增材制造中因热累积导致的晶粒粗化与析出相恶化问题，研究人员创新性引入高压气冷（HPAC）策略至摩擦滚动增材制造（FRAM）工艺。结果表明，HPAC通过降低沉积区峰值温度（4.5%）、提升冷却速率（91.3%）及缩短热暴露时间（47.3%），协同调控动态再结晶（DRX）与位错增殖，使晶粒细化至2.05 μm，抗拉强度与屈服强度分别提升13%和15.5%，同时保持15.5%延伸率，显著优于传统水冷（WC）工艺。该研究为航空航天关键材料的高性能固态增材制造提供了新思路。

　　

在航空航天和轨道交通领域，Al-Zn-Mg-Cu合金因其轻量化、高比强度和优异的疲劳性能成为关键结构材料。然而，传统铸造-锻造工艺难以满足复杂构件的定制化需求，而熔融基增材制造（AM）又面临凝固缺陷（如气孔、热裂纹）的挑战。固态增材制造技术如摩擦搅拌增材制造（FSAM）虽能规避熔融缺陷，但沉积过程中的热累积会导致晶粒粗化和析出相（η/η'相）粗大化，严重削弱材料性能。例如，Liu等发现7075铝合金在摩擦表面沉积增材制造（FSDAM）中，反复热循环使η相粗化，导致沉积层力学性能显著下降。如何精准调控热输入与冷却条件，成为实现高性能铝合金增材制造的核心难题。

针对这一挑战，重庆某高校团队在《Materials Science and Engineering: A》发表研究，创新性地将高压气冷（HPAC）技术引入摩擦滚动增材制造（FRAM）工艺。该研究通过对比无冷却（NC）、水冷（WC）与HPAC三种条件，系统分析了温度场特征、微观组织演变与力学性能的关联机制。关键技术包括：采用数控增材制造平台实施FRAM沉积，通过热电偶实时监测温度分布；结合电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）表征晶粒结构与位错密度；利用拉伸试验评估力学性能，并以7075-T6铝合金为基材验证工艺效果。

温度特性
研究发现HPAC使沉积区峰值温度降低至NC条件的95.5%，冷却速率提升91.3%，热暴露时间缩短47.3%。相较于WC的剧烈冷却（峰值温度降低12.2%），HPAC实现了更均衡的热管理，避免了材料流动不足导致的界面缺陷。

微观结构演变
HPAC通过抑制动态再结晶（DRX）过度发展，促进位错增殖，使平均晶粒尺寸从NC的2.30 μm细化至2.05 μm。TEM显示HPAC样品中η'强化相分布更均匀，而WC样品因过冷残留粗大η相。

力学性能
HPAC样品抗拉强度（UTS）达504.5 MPa，较NC提升13%，屈服强度（YS）提高15.5%至346 MPa，延伸率（EL）保持15.5%。对比WC样品（UTS 470.3 MPa，YS 311.6 MPa，EL 13.5%），HPAC在强度与延展性上实现协同优化，分别提升7.3%、11.0%和14.8%。

结论与意义
该研究证实HPAC通过精准调控冷却速率与热暴露时间，解决了固态增材制造中“热软化-性能劣化”矛盾。其创新性体现在：1）以气冷替代液冷，避免CO₂超冷导致的表面沟槽或水冷引发的结合缺陷；2）通过热-力耦合作用优化DRX与析出相行为，突破传统工艺强度-塑性倒置关系。这一成果为航天大型复杂构件的高效制备提供了新方案，同时为其他热敏感合金的固态增材制造工艺开发提供了理论参考。