剪切驱动固态增材制造技术在航空航天铝合金表面杂质污染修复中的应用研究

本研究针对金属增材制造在污染环境中的性能瓶颈，创新性地采用固态增材摩擦搅拌沉积技术(AFSD)，系统探究了AA7075航空铝合金在Fe2O3污染表面的沉积行为。通过多尺度表征和机器学习方法，揭示了剪切力诱导的杂质垂直迁移和纳米级分散机制，实现了269.05 MPa的优异界面强度，为极端环境下的金属修复提供了新方案。

　　

在火星基地建设、海洋工程等极端环境下，金属增材制造面临表面污染的严峻挑战。传统熔融沉积技术易因杂质干扰产生界面缺陷，而冷喷涂等固态工艺又难以有效分散高硬度氧化物颗粒。如何实现污染表面的高质量金属沉积，成为制约野外修复和太空制造的关键难题。

美国弗吉尼亚理工大学Hang Z. Yu团队在《Materials》发表突破性研究，通过创新性采用固态增材摩擦搅拌沉积技术(AFSD)，首次系统研究了AA7075航空铝合金在Fe₂O₃污染表面的沉积行为。研究发现，AFSD特有的剪切力场可驱动数百微米厚的Fe₂O₃杂质发生垂直迁移，并通过"鼓胀效应"实现跨层分散。微观上，剪切力使原始44 μm的Fe₂O₃团聚体解聚为100 nm级颗粒，均匀分布在2.5 μm的再结晶AA7075基体中。这种多尺度分散机制成功避免了传统工艺常见的杂质富集层和界面孔隙，最终获得269.05 MPa的优异界面强度和10.97%的延伸率。

研究采用三项关键技术：1) 创新设计含半圆形沟槽的基板，实现600 mg Fe₂O₃杂质的可控引入；2) 通过X射线断层扫描(XCT)以10 μm分辨率定量提取12项介观特征参数；3) 开发五层前馈神经网络，仅用13组训练数据就实现界面强度11.67%的预测误差。

研究结果部分揭示四大发现：

1. 微观组织演变：AFSD使AA7075晶粒从50×100 μm的轧制组织转变为2.5 μm等轴晶，KAM(核平均取向差)值0.68°-0.74°表明高位错密度，Fe₂O₃颗粒通过Zener钉扎抑制晶粒长大。
2. 介观分布特征：XCT重建显示杂质呈梯度分布，等效初始污染厚度达415 μm时仍能保持分散，但最大团簇体积达3.78×10⁹ μm³时会引发性能骤降。
3. 力学性能关联：屈服强度稳定在160 MPa，但极限强度与延伸率强烈依赖于杂质分布，空洞含量0.00742%时延伸率骤降至0.30%。
4. 机器学习预测：体积分数(φ_imp)、最大团簇体积(V_max,cl)等特征被识别为关键参数，排除异常样本后预测误差降至8.11%。

讨论部分阐明了材料流动的独特机制：工具头泪滴状凸起产生不对称剪切场，使杂质在沉积层间呈"之"字形迁移。这种流动特性解释了为何所有试样均出现杂质垂直分散现象，即便原始污染仅存在于基板表面。研究同时发现，当Fe₂O₃体积分数超过1.93%时，会形成毫米级团簇导致预测失效，这为工艺窗口优化提供了量化依据。

该研究首次证实AFSD技术在污染环境应用的独特优势：无需预处理即可直接加工，且能通过剪切力场主动改善杂质分布。提出的"介观特征-性能"机器学习模型，为太空原位制造、海洋工程修复等极端场景的工艺设计提供了新范式。特别是针对火星尘埃(主要成分为Fe₂O₃)污染的特殊应用场景，研究数据具有直接指导价值。未来通过结合原位监测和实时调控，有望进一步扩大该技术的杂质耐受范围，推动固态增材制造在恶劣环境中的工程应用。