通过固态摩擦搅拌沉积技术克服基于熔融的黄铜增材制造所面临的挑战

《Materials & Design》：Overcoming the challenges of fusion-based brass additive manufacturing through solid-state additive friction-stir deposition

采用闭环温控增材摩擦搅拌沉积（AFSD）成功制备了Cu-40Zn双相黄铜，研究了加工温度（0.38-0.61Tm）对微观结构和力学性能的影响。结果表明：温度升高导致晶粒尺寸增大（1-10μm），相比例趋近平衡（α相85-95%），动态再结晶主导微观结构演变，屈服强度215-437MPa，延伸率34-67%，接近传统锻造水平，验证了AFSD加工双相黄铜的可行性。

　　本研究围绕使用一种名为“加压摩擦搅拌沉积”（Additive Friction Stir Deposition, AFSD）的固态增材制造技术，成功制备了双相黄铜（Cu-40Zn）。这项工作首次系统地探讨了在AFSD过程中，加工温度对材料微观结构演化和机械性能的影响。研究发现，与传统的熔融沉积工艺相比，AFSD技术避免了锌（Zn）的挥发问题，这为黄铜合金的制造提供了新的思路。黄铜是一种由铜（Cu）和锌（Zn）组成的合金，锌的存在能够通过固溶强化提高材料的强度。当锌含量超过36%时，黄铜会形成由α（面心立方，FCC）和β（体心立方，BCC）相组成的双相结构，这种结构在某些工业应用中表现出良好的性能，例如热传导、化学稳定性以及结构强度等。

AFSD是一种固态工艺，与熔融沉积技术不同，它通过摩擦热和轴向压力将材料塑化，然后沉积成形。这种工艺的特点是加工温度通常控制在熔点的0.5到0.9之间，避免了材料在熔化和凝固过程中可能出现的缺陷。此外，由于AFSD的加工温度相对较低，可以有效减少材料中的锌挥发，从而保持原始材料的化学成分稳定。在本研究中，通过封闭回路温度控制系统，将加工温度设定为350°C、400°C、500°C和550°C，这些温度范围覆盖了黄铜在摩擦搅拌焊接中的典型加工窗口，并且与再结晶温度范围相吻合。研究还发现，随着加工温度的升高，材料的平均硬度呈现出下降趋势，这可能与晶粒尺寸的变化有关。

在微观结构方面，AFSD处理后的Cu-40Zn表现出明显的晶粒细化现象，特别是在较低的加工温度下，晶粒尺寸范围在1到10微米之间。通过电子背散射衍射（EBSD）分析，研究者观察到α相和β相在不同加工温度下的分布变化。α相主要分布在材料的顶部区域，而β相则更多地出现在底部区域。这表明在AFSD过程中，随着加工温度的升高，材料的微观结构逐渐向平衡状态演化，从而影响其性能表现。此外，晶界类型的变化也被观察到，低角度晶界（LAGBs）和高角度晶界（HAGBs）在不同区域中表现出不同的分布比例，这与材料在加工过程中经历的热循环和塑性变形密切相关。

机械性能方面，研究结果表明，AFSD制备的Cu-40Zn在纵向（LD）和构建方向（BD）上均表现出优异的强度-延展性组合。例如，其屈服强度范围在215到437 MPa之间，而延伸率则在34%到67%之间。这种性能表现与传统锻造材料相当，甚至在某些情况下更优。研究还发现，随着加工温度的升高，材料的屈服强度逐渐降低，而延伸率则相应增加。这种趋势与晶粒尺寸的变化有关，符合经典的Hall-Petch关系，即材料的屈服强度随着晶粒尺寸的减小而增加。此外，晶界强化是提高机械性能的主要机制，尤其是在构建方向上的表现更为明显。

在研究中，还观察到不同加工温度下，材料的硬度表现出一定的变化。例如，TS350（350°C）样品的硬度最高，而TS550（550°C）样品的硬度最低。这可能与晶粒尺寸和晶界类型的变化有关。TS350样品由于较高的晶界密度，表现出更强的晶界强化效果，从而提高了其硬度。而TS550样品由于晶粒尺寸较大，晶界强化作用减弱，导致硬度降低。同时，研究还发现，材料在构建方向上的延展性低于纵向方向，这可能与沉积过程中材料流动性和层间结合强度有关。TS350样品由于较低的工具转速，导致材料流动不足，层间结合较弱，从而在构建方向上表现出较差的延展性。相比之下，TS400、TS500和TS550样品由于更高的能量输入和工具转速，能够实现更好的材料流动和层间混合，从而改善构建方向上的延展性。

此外，研究还发现，材料在不同区域表现出不同的性能特征。例如，顶部区域的屈服强度高于中部和底部区域，这可能与该区域的加工条件和热历史有关。在底部区域，由于多次热循环的作用，材料的微观结构更接近平衡状态，从而表现出更优的机械性能。研究者还通过图像质量图和KAM（内核平均偏转）图分析了材料的变形和再结晶行为。结果显示，α相和β相在不同区域表现出不同的再结晶程度，这与它们的硬度和塑性变形能力有关。α相由于较低的堆垛层错能（SFE），更容易发生动态再结晶，从而表现出更高的再结晶率。

在微观结构演化方面，研究发现，AFSD过程中，由于材料经历的多次热循环和高应变率，导致了晶粒细化和晶界类型的变化。这种变化不仅影响了材料的强度和延展性，还可能对材料的疲劳性能和耐腐蚀性能产生影响。例如，晶粒细化能够提高材料的强度，而晶界类型的变化则可能影响其塑性变形能力。此外，β相由于其较高的硬度，可能在某些区域中起到增强作用，但其比例较低，因此对整体性能的影响相对有限。

为了进一步理解材料的机械性能，研究者还分析了其在拉伸测试中的表现。结果显示，TS350样品在拉伸过程中表现出较高的屈服强度，但延展性较差。而TS550样品虽然屈服强度较低，但延展性较高，且表现出更明显的塑性变形能力。这种差异可能与材料在不同加工温度下的微观结构演化有关。TS350样品由于较低的加工温度，晶粒尺寸较小，晶界密度较高，从而表现出较高的屈服强度。而TS550样品由于较高的加工温度，晶粒尺寸较大，晶界密度较低，导致屈服强度下降，但延展性提升。

研究还指出，AFSD技术在黄铜合金制造中具有广阔的应用前景。相比传统的熔融沉积技术，AFSD能够有效避免锌的挥发，减少材料浪费，并且能够通过控制加工温度来优化材料的微观结构和性能。此外，AFSD技术还能够用于修复和涂层等应用，为黄铜合金的制造提供了更多的可能性。然而，目前AFSD技术在黄铜合金中的研究仍处于初步阶段，未来需要进一步探索其在不同加工参数下的性能表现，以及如何通过调整材料成分和加工条件来优化其性能。

总之，本研究通过系统地分析AFSD工艺在Cu-40Zn黄铜合金中的应用，揭示了加工温度对材料微观结构和机械性能的影响。研究结果表明，AFSD技术能够有效避免锌的挥发，同时通过动态再结晶和晶粒细化等机制，实现材料性能的优化。这为未来黄铜合金的增材制造提供了理论依据和技术支持，也为相关领域的进一步研究奠定了基础。