《Journal of Alloys and Compounds》：Hybrid WAAM-FSP Fabrication of SiC-B?C Reinforced Hybrid Aluminum Composites: Synergistic Enhancement of Mechanical, Wear, and Corrosion Performance
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埃马德·巴德里（Emad Badri）|阿明·阿卜杜拉扎德（Amin Abdollahzadeh）|阿里·沙姆希普尔（Ali Shamsipur）|赛义德·莫斯塔法·侯赛尼（Seyed Mostafa Hosseini）材料与冶金工程系，阿米尔卡比尔科技大学（Amirkabir
埃马德·巴德里（Emad Badri）|阿明·阿卜杜拉扎德（Amin Abdollahzadeh）|阿里·沙姆希普尔（Ali Shamsipur）|赛义德·莫斯塔法·侯赛尼（Seyed Mostafa Hosseini）
材料与冶金工程系，阿米尔卡比尔科技大学（Amirkabir University of Technology），哈菲兹街（Hafez Street）424号，德黑兰（Tehran），15875-@4413，伊朗
摘要
铝镁合金（Al-Mg）的线弧增材制造（WAAM）工艺受到微观结构缺陷的固有限制，这些缺陷降低了其机械性能、摩擦性能和耐腐蚀性能。在本研究中，采用了一种先进的加工方法，结合了WAAM和湍流摩擦搅拌处理（WAAM-FSP）技术，制备了添加了SiC和B?C颗粒的高性能铝镁混合复合材料。SiC和B?C颗粒的加入，以及三遍FSP处理过程，使得铝镁组件的机械性能、耐磨性和耐腐蚀性得到了同时提升。FSP诱导的动态再结晶（DRX）将WAAM沉积材料的异质晶粒形态转变为均匀的等轴晶粒结构。SiC和B?C颗粒的共存进一步促进了连续的DRX和颗粒诱发的晶核形成（PSN），使晶粒尺寸减小至约3.5微米。与未经处理的WAAM样品相比，SiC+B?C混合复合材料的硬度（131.5 HV）、抗拉强度（406.90 ± 21 MPa）和延伸率（14 ± 1%）都有显著提高。硬度的提升增强了材料的耐磨性，混合复合材料耐磨性提高了31.6%。这些机械和耐磨性能的显著改善归因于晶界强化、奥罗万强化（Orowan strengthening）以及SiC和B?C增强体带来的载荷传递机制。此外，腐蚀电流密度降低至0.2 μA/cm2，进一步证实了混合复合材料的优异耐腐蚀性能。总体而言，本研究为减少WAAM-FSP制备的铝镁合金的微观结构不均匀性和缺陷提供了有效方法，同时提升了其机械、摩擦和耐腐蚀性能，从而扩展了这种轻质高强度材料的应用潜力。
引言
铝合金，尤其是铝镁合金，因其出色的性能而广受欢迎，包括良好的焊接性、低密度、优异的成型性以及比其他铝合金更强的耐腐蚀性。这些特性使得它们在海洋、航空航天和汽车工业以及各种结构应用中得到广泛应用。
随着对轻质、耐用和复杂组件的需求日益增长，传统的制造方法（如轧制和机械加工）存在局限性，如材料浪费、时间长和能源效率低。在这种情况下，基于逐层沉积材料的增材制造（AM）方法能够生产出接近净形状的部件，具有高几何复杂性。
特别是线弧增材制造（WAAM），因其低成本、高沉积速率以及不受构建尺寸限制而成为生产复杂金属部件的有效且经济可行的解决方案[1]、[2]。然而，WAAM制备的部件存在一些问题，如孔隙率、裂纹和微观结构各向异性，导致机械性能不均匀[3]。
摩擦搅拌处理（FSP）是一种剧烈的塑性变形（SPD）工艺，起源于摩擦搅拌焊接（FSW）[4]，主要用于微观结构改善和新材料合成。近年来，FSP也作为一种混合技术受到关注，可以在WAAM过程中或之后应用，以增强部件的性能[5]、[6]。
在所谓的WAAM-FSP层间策略（IFSP）中，FSP处理被应用于连续沉积的层之间，从而在构建过程中提供额外的搅拌和材料均匀化[7]。相关研究包括刘毅（Ji Liu）等人的工作[8]，他们在生产Al-Zn-Mg-Cu合金时采用了FSP层间处理，通过晶粒细化以及共晶相在α-Al基体中的溶解，提高了机械性能。魏伟（Wei）等人在使用WAAM生产Al 2024合金时也应用了IFSP工艺，成功消除了孔隙率并细化了微观结构，包括晶粒尺寸的减小和晶界处连续共晶相的溶解与重新分布，从而提升了部件性能。类似地，刘毅等人[10]使用WAAM+IFSP工艺处理了Al-Mg合金，结果降低了孔隙率密度，形成了细小且排列整齐的晶粒，并改善了机械性能。IFSP概念现已扩展到多种铝合金系统，如Al-Cu合金[11]、[12]、[13]、Al-Si[14]、Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr[15]、Al-Mg-Sc[16]和Al-Zn-Mg-Cu-Sc[17]。
从单纯将FSP作为WAAM部件后处理步骤的角度来看[18]、[19]，郭某（Guo）等人的研究值得关注，他们探究了多遍FSP对WAAM处理的2319合金的影响，发现FSP使得晶粒细化并提高了抗拉强度。戴某（Dai）等人[6]研究了多阶段FSP对LMD制备的2024合金的影响，发现剧烈塑性变形将柱状晶粒转变为等轴晶粒，并减少了裂纹和微孔的形成。
尽管FSP作为WAAM的辅助步骤使用（在高温条件下进行剧烈塑性变形），但它促进了动态再结晶（DRX）[21]、[22]，从而形成细小的晶粒结构并减少了焊接引起的孔隙率。通过添加增强纳米颗粒，可以更广泛且有效地应用这种方法，以解决铝合金部件硬度和强度低导致的机械和摩擦性能不足问题。
因此，在我们之前的研究中，我们采用WAAM和FSP工艺以及碳化硅（SiC）纳米颗粒相结合的方法，对薄壁Al-Mg/SiC纳米复合材料进行了全面研究[23]。SiC纳米颗粒通过颗粒诱导的晶核形成（PSN）和泽纳钉扎（Zener pinning）作用，显著改善了晶粒细化和微观结构稳定性。此外，梁宇（Liang Yu）等人[24]在WAAM制备的Al-Zn-Mg-Cu合金中应用FSP工艺，研究了高熵纳米颗粒（HEA,CoCrFeNi）的效应，发现添加HEA颗粒通过颗粒诱导的晶核形成和强界面结合，显著提升了机械性能。刘毅等人[25]使用等离子喷涂在WAAM沉积的AZ31镁合金层间添加TiC颗粒，然后进行FSP处理，使颗粒均匀分布，晶粒尺寸减小到3.47微米，显著提高了材料的强度和性能，同时也改善了耐磨性和耐腐蚀性。
由于常规热处理无法显著增强Al-Mg合金的性能，因此主要依靠应变硬化和颗粒增强来提高其机械和功能性能。大多数关于Al-Mg及相关合金的WAAM–FSP研究仅关注单一类型的陶瓷增强体（如SiC、TiC或其他纳米颗粒），而混合增强系统的研究相对较少。特别是SiC和B?C的组合非常有前景：SiC主要增强硬度和耐磨性，而B?C提供很高的刚性，并能促进保护性含硼氧化层的形成，这对摩擦和腐蚀性能都有益处。然而，据作者所知，目前尚无关于通过FSP和SiC+B?C混合增强改性的WAAM制备的Al-Mg合金的系统研究，也未明确SiC+B?C对微观结构、机械性能、耐磨性和耐腐蚀性能的协同效应。因此，本研究旨在通过制备WAAM–FSP Al-Mg/SiC+B?C混合复合材料，并将其与单独增强的Al-Mg/SiC和Al-Mg/B?C复合材料进行直接比较，从而阐明WAAM–FSP铝镁系统中的主要强化和保护机制。
章节摘录
WAAM沉积工艺
Al-Mg合金的沉积使用了配备TIG焊接电源（Techno-Josh）和自动送丝装置的WAAM系统，该装置集成在三轴CNC平台上，如图1所示。
沉积过程中，使用了尺寸为300毫米×120毫米×6毫米的1060铝合金板作为基底，送丝材料为直径1.2毫米的ER5356焊丝；其化学成分列于表1中。
选择高纯度氩气（99.999%）作为保护气体。
WAAM沉积Al-Mg合金的微观结构
图5(a)展示了使用偏振光学显微镜拍摄的蚀刻样品的横截面视图。Al-Mg合金的微观结构由等轴晶粒和粗大的柱状晶粒组成，如图5(b)和(d)所示。细晶粒和粗晶粒的交替分布揭示了沉积过程的逐层特性。图5(c)中清晰可见柱状晶粒与等轴晶粒之间的界面。图5(f)显示了柱状晶粒的详细结构。
结论
在这项研究中，首先通过线弧增材制造（WAAM）沉积Al-Mg合金，然后通过引入SiC+B?C增强体并采用三遍摩擦搅拌处理（FSP）将其转化为高性能的混合表面复合材料。这种结合WAAM-FSP的方法使得Al/SiC+B?C混合复合材料的机械性能、耐磨性和耐腐蚀性显著提高。主要目的是阐明SiC+B?C颗粒的增强机制
作者贡献声明
阿明·阿卜杜拉扎德（Amin Abdollahzadeh）：撰写——审稿与编辑、草稿撰写、监督、资源协调、项目管理、方法论设计、数据管理、概念构思。埃马德·巴德里（Emad Badri）：草稿撰写、可视化处理、软件应用、数据分析、形式分析、数据管理。赛义德·莫斯塔法·侯赛尼（Seyed Mostafa Hosseini）：软件应用、形式分析。阿里·沙姆希普尔（Ali Shamsipur）：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、方法论设计、数据管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
