基于多维材料追踪技术，揭示摩擦搅拌增材制造过程中线材切割螺杆压机辅助加热下的沉积行为与结合机制

《Journal of Materials Processing Technology》：Revealing the Deposition Behavior and Bonding Mechanisms of Friction Stir Additive Manufacturing Based on Wire-Chopping Screw Press-Assisted Heating Via Multi-Dimensional Material Tracing Technology

摩擦搅拌增材制造（FSAM）中材料硬化阻碍连续加工的问题，通过提出FSAM-WCSP-AH工艺（结合螺压辅助加热）实现突破。采用多维度示踪材料（AA2319/AA6061）和3D X射线断层扫描，揭示材料在过渡阶段形成环状结构并受剪切/压缩作用重塑，沉积层包含搅拌沉积区（SDZ）与非搅拌区。界面结合机制包括冶金结合与类似机械互锁的局部机制，核心SDZ形成复合结构，实现97.5%的基体细化率。研究验证了该工艺连续制造复杂路径的可行性，为同类工艺优化提供理论支撑。

　　

李志鹏|肖军|陈淑君|卢星宇|严朝阳

北京工业大学机械与能源工程学院，汽车结构部件先进制造技术工程研究中心，教育部，北京100124，中国

摘要

基于金属丝的摩擦搅拌增材制造（W-FSAM）在固相加工领域面临一个长期存在的挑战：材料在短暂停顿后会硬化，这阻碍了沿不连续路径的连续制造，并限制了工具的运动。这一限制使得层间结合界面的表征变得复杂。为了解决这个问题，提出了一种基于金属丝切割和螺旋压力机辅助加热的FSAM工艺（FSAM-WCSP-AH）。通过研究套筒内的沉积结构以及在不同参数下的形态变化来分析材料沉积行为。利用多维材料示踪观察（将AA2319沉积在AA6061基板上）、紧急停止技术和3D X射线计算机断层扫描来研究流动行为。通过光学显微镜、电子背散射衍射和透射电子显微镜来检测界面结合特性。通过沉积具有单向层间路径的壁结构，验证了沿不连续路径连续制造的可行性以及结合性能。结果表明，部分颗粒在工具内部转化为环形结构，然后被挤压和剪切成“块状”或“丝状”沉积物，在水平和垂直平面上呈现出环状流动模式。沉积层由沉积区和搅拌沉积区（SDZ）组成。在SDZ的前进侧和后退侧界面处发生了冶金结合和局部“机械互锁”现象。中央的SDZ形成了“复合状结构”，其中沉积材料嵌入基体中，沉积物的细化率为98.5%，基体的细化率为97.5%。这些发现阐明了FSAM-WCSP-AH的基本物理机制，并为解决类似固相增材工艺中的堵塞问题提供了实用见解。

引言

Al-Cu合金因其良好的耐热性和成本效益而被广泛应用于航空航天和铁路运输领域[1]，[2]。然而，传统的熔融基增材制造（AM）方法涉及材料的熔化和固化，常常导致诸如气孔、热裂纹和粗晶粒等缺陷[3]。这些缺陷会降低最终组件的机械性能。相比之下，固相AM避免了熔化过程，有助于减少这些问题[4]，使其成为材料制备的一种更有前景的方法。

摩擦搅拌焊接（FSW）的特性限制了材料的供给，成为固相增材制造（AM）的一个重大瓶颈[5]。为了解决这个问题，MELD公司开发了增材摩擦搅拌沉积（AFSD）工艺，该工艺可以使用多种原料，包括金属粉末[6]、棒材[7]和含有嵌入颗粒棒的复合结构[8]，[9]。然而，AFSD需要高压，这在供给棒材的过渡过程中造成了瓶颈，限制了连续材料供给。Xie等人[10]引入了一种摩擦滚动AM工艺以促进连续制造，但这种方法由于径向供给而牺牲了灵活性，并且会继承工具表面不平整带来的缺陷。作为回应，Chen等人[11]提出了基于金属丝的FSAM（W-FSAM），该方法通过轴向螺纹工具实现连续金属丝供给。该方法适用于各种铝合金，既可以使用CNC机床也可以使用工业机器人[12]，[13]，具有灵活性和光滑的沉积表面。然而，旋转螺纹工具对供给金属丝的切割导致旋转速度和供给速度之间的耦合，限制了加工窗口。虽然使用双螺纹可以提高金属丝的供给速度[14]，但这种耦合仍然限制了加工窗口。Zhang等人[15]引入了一种螺旋供给的粉末基摩擦搅拌沉积方法，将旋转速度与供给速度解耦。然而，粉末泄漏阻碍了螺旋剪切材料的充分塑化，从而影响了AM[16]。因此，使颗粒大小与工具几何形状相匹配对于成功的AM至关重要。W-FSAM可以保持颗粒大小，并且在使用绞合[17]或芯线[18]时，具有定制复合材料的巨大潜力。然而，材料在短暂停顿后会硬化，堵塞了供给通道并阻碍了工具的运动。这影响了单个工具沿不连续路径进行连续AM的能力[16]，[19]。这个问题在填充摩擦搅拌点焊（RFSSW）和固定肩部FSW中也存在，尚未得到解决。虽然尝试了电化学清洗[20]或更换工具等解决方案，但它们并没有完全解决问题，并且限制了沉积材料的类型。因此，优化W-FSAM以实现沿不连续路径的连续制造、具有宽加工窗口和多种材料类型仍然是一个关键挑战。

此外，Wang等人[21]提出W-FSAM中的材料沉积过程可以分为三个阶段：首先，颗粒在工具内部经历摩擦，导致局部热塑性；其次，热塑性材料与进入的颗粒混合；最后，实现完全的热塑性。Zhang等人[13]认为该过程包括连续供给、颗粒变形和预塑化，从而实现连续沉积。相比之下，Sun等人[22]将这一过程描述为通过剪切和压缩力将供给的颗粒转化为连续的螺旋状塑性金属丝，从而促进连续AM。然而，由于沉积发生在工具内部（一个“黑箱”），当前的研究只能通过检查提取工具上的残留材料来推断沉积行为。无论是完全的热塑性还是连续螺旋状金属丝的形成，都无法完全解释当供给速率增加时工具堵塞的现象，以及材料未能完全填充工具通道的情况。因此，理解过渡阶段的沉积行为至关重要。

在沉积壁结构时，W-FSAM只能使用往复的沉积路径，因为沿不连续路径的连续增材制造尚未实现。这阻碍了特征区的形成，并妨碍了界面结合机制的表征。材料流动和界面微观结构都会影响结合特性。Lyu等人[19]分析了基于颗粒的FSAM的金属学特征，观察到搅拌区存在交替的左右波动模式以及肩部区域的波浪状材料分布。然而，由于相邻层之间沉积的是相同的材料，捕获这些流动特性很困难。Zhang等人[13]使用铜箔作为示踪材料，并通过X射线微断层扫描研究了材料流动，发现W-FSAM表现出与AFSD相似的非对称流场。然而，由于AFSD缺乏探针[7]，其流动行为有所不同。沉积层内的铜箔无法准确捕捉材料流动，铜箔与铝基体之间的显著流动应力差异影响了实际流动行为。为了提高准确性，Li等人[23]使用2319 Al合金作为6061 Al合金的示踪材料，但这种方法仍然无法揭示从工具内部到沉积层的过渡流动。Chen等人[24]结合紧急停止技术和材料示踪剂研究了RFSSW中的三维材料流动，而Wang等人[25]在搭接FSW板中使用铜粉和X射线计算机断层扫描观察了层内材料分布。尽管取得了这些进展，材料流动模式仍然不清楚。在界面微观结构方面，Xu等人[26]使用电弧铣焊观察到了Al和钢之间的复合结构，Batistao等人[27]在摩擦搅拌搭接焊接过程中识别出了机械互锁和冶金结合，这两种方法都提高了界面结合强度。然而，不清晰的材料流动仍然阻碍了对界面结合机制的全面理解。

总之，固相加工过程中材料在停顿后硬化的问题一直是固相焊接和增材制造面临的长期挑战，阻碍了沿不连续路径的连续制造。通过分析套筒内沉积材料的结构特征，并研究不同工艺参数对沉积形态的影响，本研究为过渡阶段的沉积行为提供了科学解释。基于这一理论，提出了一种结合金属丝切割和螺旋压力机辅助加热（FSAM-WCSP-AH）的W-FSAM变体。该方法通过同时加热套筒的一部分并旋转螺纹工具来清除沉积后的材料。此外，现有的材料流动模式和界面结合机制仍然不清楚。本研究解决了这些挑战，如图1所示。为此，采用了多维材料示踪观察（使用AA2319沉积在AA6061基板上）、紧急停止技术和3D X射线计算机断层扫描来揭示材料流动行为。通过光学显微镜、电子背散射衍射和透射电子显微镜分析了界面结合特性。最后，通过沉积具有单向沉积路径的壁结构，验证了沿不连续路径的连续制造的可行性和特征区的结合性能。这确立了FSAM-WCSP-AH的沉积和流动物理模式以及结合机制。

工艺片段

摩擦搅拌增材制造工艺

FSAM-WCSP-AH工艺如图2所示。首先，金属丝通过剪刀机制被剪切成颗粒（图2a）。然后这些颗粒通过重力和风机的空气被送入过渡套筒。当由螺纹部件和过渡套筒组成的工具向前移动时，螺纹工具和探针将沉积材料输送和混合，形成新的层。一层沉积完成后，外部加热机制会加热过渡套筒的一部分

过渡阶段颗粒沉积的分析

FSAM-WCSP-AH成功沉积的关键因素是理解过渡阶段颗粒的沉积行为。本研究探讨了工艺参数如何影响沉积形态，并研究了过渡阶段环形结构的形成。

结论

本研究提出了一种新的基于金属丝的摩擦搅拌增材制造方法，该方法结合了金属丝切割和螺旋压力机辅助加热（FSAM-WCSP-AH），以实现沿不连续路径的连续增材制造。该方法包括加热套筒的一部分并旋转螺纹工具以清除沉积后的材料。通过检查套筒内的宏观结构并评估多种因素的影响来分析材料沉积行为

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT来润色语言。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

陈淑君：验证、方法论、概念化。肖军：监督、资源获取、资金筹集。严朝阳：写作——审阅与编辑、监督。卢星宇：验证、调查。李志鹏：写作——审阅与编辑、原始草稿撰写、方法论、调查、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢中国国家重点研发计划（项目编号2022YFB3404700）和“QiHang计划”对北京工业大学材料与制造学院的支持（BJUT-(QH202309）