摩擦搅拌增材制造AA6061合金的工艺参数优化、微观结构演变以及力学和电化学性能表征

《Journal of Alloys and Compounds》：Optimization of process parameters, microstructural evolution, mechanical and electrochemical characterization of friction stir additively manufactured AA6061 alloy

本研究采用AA6061-T6铝合金，通过单道摩擦搅拌增材制造（FSAM）工艺优化旋转速度（875, 1230 rpm）和Traverse速度（41, 82 mm/min），制备四层结构墙体。红外成像显示温度峰值从底部到顶部递减。显微分析表明搅拌区形成细等轴晶，动态再结晶发生，热影响区存在Mg2Si相。维氏硬度峰值达（85±5）HV0.1，1230 rpm-82 mm/min组合表现出最佳抗拉强度（370±20 MPa）和各向异性，但腐蚀测试显示未析出Mg2Si区域腐蚀倾向更高。

　　这项研究探讨了使用单轨摩擦搅拌增材制造（FSAM）技术制造多层铝镁硅合金（AA6061-T6）的过程参数对材料性能的影响。铝镁硅合金因其轻质、高弹性模量、优异的比强度、良好的耐腐蚀性和可回收性，广泛应用于航空航天和汽车工业中。这些特性对于提高能源效率和减少材料消耗至关重要。在航空航天领域，该合金被用于制造机翼、机身、航天器结构、卫星表面、底盘、发动机支架、齿轮、轴、模具、工具、装甲板和车辆部件。此外，由于铝合金的高热导率，特斯拉等汽车公司已将其用于电池组的制造。预计到2030年，全球将需要近1000万吨铝用于电动汽车的生产。

然而，传统的制造工艺，如铸造、焊接、选择性 laser 熔化和粉末床熔融增材制造，常常伴随着凝固相关的问题。这些问题包括氧化层的形成、热裂、气孔、金属间化合物的生成、残余应力和变形。为了解决这些问题，开发了基于固态的制造工艺，这些工艺在低于熔点的温度下处理原始材料。摩擦搅拌增材制造技术是特别适合铝镁硅合金的固态制造方法之一，它有三种主要形式：加性摩擦搅拌沉积（AFSD）、机器人线性摩擦搅拌增材制造（R-WFSAM）和摩擦搅拌增材制造（FSAM）。这些技术在材料沉积率和制造时间方面具有显著优势，且在多种应用场景中得到了验证。

FSAM 是一种基于片材堆叠的制造技术，它利用摩擦搅拌焊接（FSW）的基本原理来连接不同层的材料。FSAM 技术将增材制造与加工相结合，能够生产接近最终形状的部件。在制造过程中，首先将两片材料堆叠在一起，然后使用旋转的 FSW 工具在上层材料表面进行移动，工具的探针穿透两片材料以启动搅拌过程。工具肩部与上层材料之间的摩擦产生的热量使材料发生塑性变形，同时结合局部加热和推进力，有效地将两片材料结合在一起。该过程在每一层上重复进行，直到达到所需的制造高度。FSAM 以其在多层连接中的高效能和低成本而著称。

在本研究中，通过 AA6061 铝合金板材，采用单轨 FSAM 技术制造了四组不同结构的多层墙，以优化制造过程参数的影响。制造过程中采用了红外成像技术来捕捉温度分布，结果显示，峰值温度从制造结构的底部向顶部呈下降趋势。通过光学显微镜和电子背散射衍射技术对微观结构进行分析，揭示了在搅拌区形成细小等轴晶粒的动态再结晶现象。电子显微镜进一步显示，Mg?Si 稳定相在热影响区由于重复的热循环而生长。维氏显微硬度测试显示，在 1230 转/分钟的旋转速度和 82 毫米/分钟的移动速度下，硬度达到 (85 ± 5) HV?.?，而拉伸性能表现出方向性各向异性，其中最大抗拉强度 (UTS) 达到 (370 ± 20) MPa，同时增强了延展性。断口分析揭示了样品的断裂机制，而腐蚀测试表明，随着旋转速度的增加，材料的耐腐蚀性能也有所提高，具体表现为腐蚀电流密度的降低（从 3.44 到 2.21 μA/cm2）。然而，未形成沉淀物的区域显示出更高的腐蚀敏感性。

研究还对 FSAM 制造的铝镁硅合金的微观结构演化进行了详细分析。制造出的四组结构尺寸约为 180 毫米 × 24 毫米 × 25 毫米，每组结构的搅拌区（SZ）和热影响区（HAZ）的横截面均进行了观察。研究发现，不同过程参数对 SZ 的微观结构有显著影响，这些区域的特征包括 SZ、HAZ 和 TMAZ（热影响区）。此外，研究还探讨了不同参数对界面结合机制的影响，以及制造过程中材料的微观结构和机械性能。通过系统的分析，研究揭示了 FSAM 过程中温度变化、微观结构演化与材料性能之间的关系，以及这些参数对二次沉淀物的形成和后续表面腐蚀行为的影响。

研究结果表明，FSAM 技术在制造铝镁硅合金方面具有良好的应用前景。该技术能够有效降低制造成本，同时避免使用额外的支撑材料，实现复杂结构的无缝制造。此外，FSAM 技术在材料微观结构的优化方面表现出色，能够通过晶粒细化和粒子分散来改善材料的机械性能。这些改进不仅适用于铸造和锻造产品，还为复合材料和增强材料的制造提供了新的可能性。例如，在水下 FSAM 应用中，水冷的制造环境能够促进高过饱和度的形成，从而增强材料的时效强化能力。尽管 FSAM 技术已被广泛应用于铝 2xxx、5xxx 和 7xxx 系列合金，但其在 6xxx 系列合金中的应用仍较为有限，尽管该系列合金在工业应用中具有重要意义。

通过本研究，研究人员希望进一步探索 FSAM 技术在 6xxx 系列合金制造中的潜力，以期为未来的工业应用提供理论依据和技术支持。研究结果不仅有助于理解 FSAM 过程中材料的微观结构演化和机械性能变化，还为优化制造参数提供了指导。此外，研究还揭示了 FSAM 技术在材料耐腐蚀性能方面的优势，这对于需要在恶劣环境中工作的部件尤为重要。总的来说，这项研究为铝镁硅合金的制造提供了一种新的方法，并展示了 FSAM 技术在提高材料性能和制造效率方面的巨大潜力。