《Nature Communications》：A ring-jig additive friction stir deposition method for efficient additive manufacturing of metal laminates
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金属增材制造（AM）在制造高混合、小批量、米级尺寸的零部件方面引起了关注，尤其是在工业应用中。然而，传统的增材制造需要高能量输入、昂贵的粉末和长加工时间，限制了可扩展性和成本效益。为了克服这些挑战，研究人员正在探索固态增材制造方法，以降低能耗并提高构建速率。本
金属增材制造（AM）在制造高混合、小批量、米级尺寸的零部件方面引起了关注，尤其是在工业应用中。然而，传统的增材制造需要高能量输入、昂贵的粉末和长加工时间，限制了可扩展性和成本效益。为了克服这些挑战，研究人员正在探索固态增材制造方法，以降低能耗并提高构建速率。本研究提出了一种源自摩擦堆焊的固态增材制造技术，其中通过旋转金属棒与基板之间的直接摩擦形成均匀层。所提出的方法实现了最大构建速率8000 cm3 h?1，而基于熔融的增材制造方法最大为800 cm3 h?1，传统固态增材制造方法最大为2400 cm3 h?1。与其他工艺相比，所提出的方法在沉积速度方面提供了显著提升。结合高构建速率和良好的界面结合，所提出的方法为可扩展、经济高效地生产大型结构金属构件提供了一种有前景的途径。
金属增材制造（additive manufacturing, AM）技术因能够制造复杂几何形状的部件而在航空航天等领域受到关注，但传统熔融基AM（如粉末床熔融powder bed fusion, PBF和定向能量沉积directed energy deposition, DED）存在能耗高、粉末昂贵、加工时间长及构建速率低等问题，且高温梯度易导致裂纹和变形。固态AM方法（如增材搅拌摩擦沉积additive friction stir deposition, AFSD）虽可降低能耗、提高构建速率并避免凝固缺陷，但现有AFSD工艺因需大型工具导致热效率低、工具磨损严重，且构建速率受限。而传统摩擦堆焊（friction surfacing）方法虽简单，但难以形成均匀层和强界面结合。为此，研究人员提出了一种基于环夹具（ring-jig）的改进型摩擦堆焊固态AM方法，旨在同时实现高构建速率、均匀层形貌和优良界面结合。
研究人员在《Nature Communications》上发表的论文中，通过对比实验验证了所提出方法的有效性，并系统评估了沉积层外观、微观结构、力学性能及构建速率。研究得出以下结论：环夹具增材搅拌摩擦沉积（ring-jig AFSD）方法能够消除传统摩擦堆焊中的毛刺和界面缺陷，使表面粗糙度从2.2 mm降至0.24 mm，并实现无缺陷的界面结合；其构建速率在1500 kgf载荷下可达8000 cm3 h?1，远超基于熔融的AM（如WAAM约800 cm3 h?1）和传统固态AM（如MELD约1000 cm3 h?1）。该方法通过直接控制施加于消耗棒的法向力同时调节热输入和材料供给速率，简化了操作，降低了能耗和设备成本，为大规模金属结构件的经济高效生产提供了新途径，尤其适用于航天等领域。
**关键技术方法**：研究人员使用摩擦搅拌焊接机（Koyo Industry, type-3）进行沉积实验，采用AA6063-T6圆棒（直径20 mm）作为消耗材料，AA6063-T5板（100×300×10 mm）作为基板，并引入不锈钢（JIS SUS304）环夹具（内径20 mm，外径40 mm，高20 mm），其内表面涂覆氮化硼润滑剂。通过3D表面轮廓仪（Keyence VR-3200）观察沉积层形貌，显微维氏硬度计（FUTURE-TECH FM300）测量硬度分布，拉伸试验机（Shimadzu Autograph AGS-X 10 kN）结合数字图像相关（digital image correlation, DIC）方法测量力学性能，透射电子显微镜（TEM, JEOL JIB-4500）进行微观结构观察和能谱分析（EDS），场发射扫描电子显微镜（FE-SEM, JEOL JSM-7001FA）观察断口形貌。所有材料均为商业日本铝合金。
**研究结果**：
**1. 工艺及沉积层外观**：通过对比传统摩擦堆焊与环夹具AFSD的沉积过程，发现传统方法在旋转棒端部形成厚毛刺（burr），导致层表面粗糙（厚度变化±1.1 mm）且界面存在肉眼可见缺陷；而环夹具AFSD由于环夹具的约束作用，无毛刺形成，层表面更光滑（厚度变化±0.12 mm），且三层沉积截面中无界面缺陷，表明环夹具提升了表面均匀性和界面完整性。
**2. 微观结构**：利用TEM对环夹具AFSD制备的试样进行观察，发现基板热影响区（heat-affected zone, HAZ）无析出相；第一层中存在小于0.1 μm的细小析出相（主要含Fe和Si）；第二层中同时存在约1 μm的大析出相（Fe、Si）和小于0.1 μm的细小析出相（仅Si富集）。细小析出相的间距在第一层约3.7 μm，第二层约2.6 μm，表明各层力学性能大致均匀，因为大量细小析出相比少量大析出相对强度贡献更大。
**3. 力学性能**：维氏硬度测试表明，传统摩擦堆焊和环夹具AFSD制备的层硬度均约65 HV，基板HAZ硬度约52–53 HV，但环夹具AFSD的HAZ范围更宽（中心约6 mm vs. 传统约5 mm），表明环夹具增加了热输入。拉伸试验显示，传统方法试样在界面处发生脆性断裂（无塑性变形），而环夹具AFSD试样在基板HAZ处发生韧性断裂（伴随颈缩和加工硬化），断口出现大量大韧窝，证明界面结合牢固。力学行为在前进侧、中心和后退侧一致。
**4. 环夹具AFSD的构建速率**：通过线性拟合不同载荷（750–1500 kgf）和行进速度（400–800 mm min?1）下的层宽和厚度，发现载荷增加时层宽和厚度线性增大。计算得到的构建速率在1500 kgf时超过8000 cm3 h?1，远高于PBF、DED、WAAM（约800 cm3 h?1）、传统摩擦堆焊（约2500 cm3 h?1）和MELD（约1000 cm3 h?1）。此外，环夹具AFSD还可使用更大直径的棒材，进一步提升了构建速率的可扩展性。
**总结讨论与结论**：讨论部分指出，环夹具通过其硬质平底表面在沉积过程中起到平整层的作用，同时其不锈钢材料（低热导率）抑制了热量散失，增加了局部热输入，促进了材料软化与填充，从而消除了缺陷并实现了牢固界面结合。环夹具还约束了材料外流，避免了毛刺形成，提高了沉积效率。与传统的AFSD（如MELD）相比，环夹具AFSD无需复杂工具，通过单一法向力同时控制热输入和供给速率，简化了系统并降低了成本。研究结论为：环夹具AFSD方法基于消耗棒与基板的直接摩擦，实现了固态金属层沉积，具有更优的表面光洁度和界面强度；通过增加载荷可提升构建速率；简化的工具和热设计降低了能耗、材料浪费和设备成本。该方法为制造高性能金属构件提供了一种实用高效的途径，在航天等领域的大规模结构件低成本生产中具有潜力。
