搅拌摩擦驱动加工铝及其复合材料中微观结构-性能关系的工程化：焊接、表面堆焊和增材制造应用的批判性综述

《Current Opinion in Solid State and Materials Science》：Engineering microstructure - property relationships in friction stir-driven processing of aluminum alloys and their composites for welding, surfacing, and additive manufacturing: A critical review

　　

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  搅拌摩擦焊、搅拌摩擦加工和搅拌摩擦增材制造遵循相同的原理。
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  铝合金特别适合搅拌摩擦驱动的工艺。
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  搅拌摩擦驱动的工艺能够实现微观组织的细化。
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  可以利用工艺-微观组织-性能之间的关系来设计搅拌摩擦铝合金的性能。
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  搅拌摩擦驱动的工艺可以节能，并且可以利用回收的原料。

引言

旋转搅拌摩擦工具引入的剧烈塑性变形（SPD）对局部微观组织以及由此产生的力学性能有着显著影响。因此，搅拌摩擦可用于通过搅拌摩擦增材沉积（AFSD）/搅拌摩擦增材制造（FSAM）来沉积新材料，或通过搅拌摩擦加工（FSP）来改善近表面性能，或通过搅拌摩擦焊（FSW）来制造高强度、高结构完整性的焊缝。

由于其相对较低的搅拌摩擦加工温度和适中的工具要求，各种可热处理和不可热处理的铝合金在众多应用中特别适合搅拌摩擦方法（见图1）。

最初，FSW于20世纪90年代发展起来，作为一种有吸引力的、节能且成本高效的[1], [2] [3], [4]替代传统熔焊连接方法的方案，传统熔焊方法可能面临凝固裂纹、微观偏析、气孔、低强度问题和残余应力等挑战[5], [6], [7], [8], [9], [10]。随后，在21世纪初，局部细化微观组织并由此提升性能的能力在FSP中得到了利用[11], [12]。最近，各种搅拌摩擦增材方法相继出现，既可以通过搭接接头式焊接工艺（FSAM）来添加层[13], [14]，也可以通过搅拌摩擦（AFSD）在表面上逐层沉积材料[15], [16], [17]，例如用于制造结构件，或通过沉积铝金属复合材料（AMC）来局部强化表面。

鉴于搅拌驱动工艺研究数量的快速增长，出现许多关于FSW [12], [18], [4], [19]和FSP [20], [21], [22], [23], [24]的一般性综述，以及专门关注铝合金的综述[19], [25], [26]，这也许并不奇怪。此外，对各种搅拌摩擦增材方法的关注日益增加，意味着该主题的综述也开始涌现[27], [5], [14]。事实上，正如图2所示，目前有许多搅拌驱动方法被普遍应用。在这方面，Lie等人[28]首次将所有搅拌摩擦驱动技术汇集在一篇广泛而全面的综述中。这反映了这样一个事实：尽管这些加工技术存在差异，但它们受相同的物理原理支配，而且将它们视为“搅拌驱动”方法家族而不是孤立地考虑每一种，会带来很大收获。本综述是对该综述的补充，重点聚焦于摩擦过程如何影响微观组织以及由此产生的性能。此外，由于涵盖所有材料的搅拌驱动工艺-微观组织-性能（PMP）关系将是一项巨大的工程，本综述仅聚焦于铝合金及其复合材料的搅拌驱动PMP关系。铝合金及其复合材料是最常进行搅拌加工的材料体系，拥有许多成熟的FSW和FSP工业应用，并且增材应用正在兴起。因此，这是第一篇全面审视搅拌摩擦驱动变形如何用于控制所有技术中铝合金微观组织，以及在每种情况下如何导致空间变化的性能的综述。为此，本综述考察了广泛的“搅拌摩擦驱动工艺”家族所依据的一般原理，将其分为三大类：i）搅拌摩擦焊，ii）搅拌摩擦加工，以及iii）搅拌摩擦增材制造。

在简要介绍这些宽泛的类别之后，对搅拌摩擦驱动的工艺-微观组织关系进行了批判性考察，特别关注晶粒细化、搅拌区（SZ）内的析出演化以及相关的强化机制。随后，对关键的微观组织-性能关系进行了讨论，重点关注通过微观组织调控来塑造力学性能、摩擦学性能和疲劳性能。

通过这种方式，本综述旨在更好地、更全面地理解如何利用搅拌摩擦驱动工艺对改进的轻质结构材料和复合材料进行微观组织工程，同时符合可持续和生态友好的制造要求。此外，本综述试图阐述基于相同物理原理的搅拌摩擦驱动工艺如何同时涵盖成熟的FSW/FSP方法和新兴的增材方法（如AFSD/FSAM）。通过这种方式，它将新兴技术与较为成熟的技术联系起来，为目前部署的各种搅拌驱动技术提供一个共同的理解平台，以设计铝合金在各种应用和行业中的性能。

章节片段

搅拌摩擦驱动技术

现在有许多搅拌摩擦技术，但它们共同的特点是使用旋转摩擦在相对较高的温度下诱导剧烈塑性变形（SPD）。它们可以大致分为搅拌摩擦焊（FSW）、搅拌摩擦加工（FSP）和搅拌摩擦增材方法，如图2所示。

最初的FSW方法于1991年由“焊接研究所（TWI）”商业化，作为一种高效的固态连接技术，用于对相似和异种材料进行对接焊。

特征微观组织区域

尽管各种摩擦加工技术的几何形状不同，但潜在的摩擦过程意味着它们通常都具有相同的四个特征微观组织区域（见图7）。

搅拌区（SZ）：在这里，峰值温度范围通常达到约0.75-0.9 T_m，应变和应变速率通常分别达到10²和10 s^-1。在SZ中通常获得特征性的“洋葱”结构，这是由于塑化材料从……流动而形成的。

搅拌摩擦铝合金及其复合材料的力学性能

在铸态或焊态下，铝合金通常具有相对较低的强度和较差的耐磨性能。在这方面，搅拌摩擦驱动技术提供了多种改善力学性能的方法，包括通过改性表面性能、制造更强的焊缝、添加增强体、通过增材修复或构建轻质结构。在这里，对于优化摩擦搅拌力学性能至关重要的强化机制……

总结与未来展望

近年来，对搅拌摩擦诱导的剧烈塑性变形的利用已经从金属的固态连接大幅扩展到微观组织细化、复合微观组织的创建，以及最近增材成形结构。事实上，如图2所示，搅拌摩擦工艺的数量以及被加工的材料体系数量急剧增长。在本综述中，我们并非试图逐一记录每个特定变体……

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

PJW感谢Henry Royce研究所的支持，该研究所由EPSRC资助EP/R00661X/1、EP/P025498/1和EP/P025021/1项目资助。PJW还感谢ESRF在其休假期间接待他，本综述的大部分内容是在此期间完成的，由国际中心对中心资助（EP/W003333/1）提供资金。A.M.感谢国家科学基金会（CMMI-2339857）和能源部（DE-SC0025719-01）的部分支持。

Hossein Keshavarz|Amir Mostafaei|Philip J. Withers