《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Revealing the dynamic formation of interfaces during additive friction stir deposition of high-strength aluminum alloys through an experimentally validated level set methodology
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•水平集方法能够捕捉AA7075铝合金AFSD过程中的动态界面演化。•揭示了沉积表面和层间接面的形成机理。•平底肩下的非对称挤压决定了层间清洁度。•更高的供材送进速率可拓宽洁净层间结合区域。引言高强铝合金（Al-Zn-Mg-Cu）凭借其高比强度、良好的耐腐蚀性以及成熟的工程背
• 水平集方法能够捕捉AA7075铝合金AFSD过程中的动态界面演化。
• 揭示了沉积表面和层间接面的形成机理。
• 平底肩下的非对称挤压决定了层间清洁度。
• 更高的供材送进速率可拓宽洁净层间结合区域。
引言 高强铝合金（Al-Zn-Mg-Cu）凭借其高比强度、良好的耐腐蚀性以及成熟的工程背景，长期以来被视为航空航天及相关行业轻量化应用中的重要结构材料[1]。然而，这些合金的传统熔凝增材制造工艺往往伴随气孔、热裂纹、元素蒸发和偏析等问题，且在7xxx系列合金中尤为突出，从而限制了其在工业领域的更广泛推广[2]。相比之下，增材搅拌摩擦沉积（AFSD）作为一种固态增材制造途径，通过高温、剧烈塑性变形和动态再结晶逐层构建，已在7xxx系列合金中展现出令人鼓舞的致密化和力学性能[3,4]。然而，现有的研究结果仍显示出明显的构建方向（BD）性能差异[5]、层相关的微观组织演化[6]以及多层沉积过程中的热力波动[7]，表明AFSD中高强7xxx合金的加工窗口仍然狭窄，且界面形成机理尚未完全阐明。
在AFSD中，层间接面并非简单的接触面，而是前序层表面附近原材料经反复挤压、剪切和重构后的结果。先前的研究表明，工艺参数[8]、工艺信号[9]、层厚[10]、重叠策略[11]以及刀具几何形状[12,13]均影响材料流动和界面宽度。对于7xxx系列合金，较高的热输入或热间距通常与构建方向塑性提高、分层减少或层间结合更均匀相关[14,15]。然而，这些观察结果大多来源于最终截面、力学响应或事后微观组织表征，并未直接回答表面材料如何从供材/沉积表面迁移至层间接面的问题。此外，直接捕捉这一动态过程仍然困难。由于原位可视化的局限性，大多数研究只能通过受控实验和模拟间接重建界面形成过程[16,17]。现有的建模工作也往往依赖于简化的界面几何、体积热源或稳态和准稳态热描述[18,19]，而表面材料迁移与界面形成之间的耦合关系以及与实验的三维验证仍未被充分探索。因此，核心问题不仅在于最终完好界面是否变宽或力学响应是否改善，还在于如何直接解决动态形成路径问题。
在实践中，这一问题还受到表面清洁度的进一步制约。对于方形或非圆形供材棒，通常使用石墨润滑剂以减少模口堵塞[20,21]，但残留的润滑剂可能滞留在层间接面处并充当界面污染物，进而与各向异性和弱结合相关[22,23]。同样，原始表面氧化层也难以完全消除[24,25]。在剧烈剪切和高温条件下，氧化层可能被破碎、卷入或保留在界面附近，从而改变真实的金属-金属接触和局部材料迁移[26]。这些研究已表明表面污染与层间缺陷之间存在关联，但它们大多停留在最终形貌或统计力学响应的层面，并未连续追踪表面材料从原始表面到层间接面的完整迁移路径。
基于上述认识，本研究引入铜电镀层作为可通过微CT识别的示踪剂，并预先沉积在供材棒的外表面上。选择外表面是有意的。首先，铝合金的AFSD工艺在常压空气环境中进行，无需保护气氛，MELD制造工艺已将其视为该工艺的优势之一[27]；因此，棒材表面的原始氧化层自然成为参与迁移过程的最早表面成分之一。其次，用于防止堵塞的石墨润滑剂也主要附着在棒材表面[28,29]，二者均属于首先进入界面演化过程的表面层。将铜置于外表面，可以在最大限度地减少对整体流动干扰的同时直接追踪该表面层的迁移路径。在此，铜的作用更为根本，即回答原始表面层在沉积过程中是否被挤压、卷入或保留在界面附近。从某种意义上说，铜示踪剂为表面材料迁移提供了一个运动学窗口，同时也提供了检验后续数值模拟保真度的手段。
为解决上述研究空白和关键的界面相关问题，本研究采用水平集方法结合铜示踪剂的微CT检测，捕捉AA7075铝合金AFSD过程中沉积表面和层间接面的动态形成。首先利用铜示踪剂结果验证基于水平集的热-流-界面模型，评估其描述动态界面演化的能力，从而突出水平集方法在追踪AFSD界面形成方面的效用。在此基础上，系统揭示了这两种不同界面的形成机理，并通过考虑其对材料供给、扭矩和压力响应、热输入、流动深度以及前序沉积表面挤压的耦合效应，阐明了供材送进速率在局部界面形成和洁净层间结合区域扩大方面的作用。
章节摘录 材料与刀具制备 图1a展示了AFSD的原理示意图。本研究中，AA7075-T6铝合金标准板材同时作为供材和基板材料，其化学成分列于补充材料（表S1）中。棒材尺寸为9.8 mm × 9.8 mm × 300 mm，基板尺寸为10 mm × 90 mm × 270 mm。
为示踪实验，首先对棒材表面进行铜离子的阴极沉积。已镀铜的
AFSD界面动态形成的建模 本节提出的基于计算流体力学（CFD）的模型旨在模拟增材搅拌摩擦沉积稳态过程中两层沉积层之间的传热、材料流动和界面演化。本研究采用水平集方法捕捉层间接面。为适应水平集方法固有的界面更新机制，稳态模型通过伪瞬态延拓（PTC）进行扩展
AFSD的力学响应及铜电镀的影响 4.1节中的力学响应基于两组互补数据集进行评估。首先，利用单道次AFSD过程中的主轴扭矩和Z轴压力信号，比较不同供材送进速率下的稳态响应。其次，利用配对镀铜和未镀铜铝棒所获得的主轴扭矩和供材送进力信号，检验电镀铜层是否对沉积过程引入了可测量的干扰。为减少
结论与展望 本研究开发了一种经实验验证的水平集方法，揭示了高强铝合金增材搅拌摩擦沉积（AFSD）过程中界面的动态形成。通过整合加工过程中力学响应测量、铜示踪剂微CT表征和多物理场模拟，在稳态双层沉积条件下解析了供材表面和层间接面的材料迁移。主要结论如下
CRediT作者贡献声明 Wancheng Lyu： 撰写 – 初稿，软件，方法论，研究调查，资金获取，形式分析，数据整理，概念构思。Yizhou Shen： 撰写 – 审阅与编辑，验证，项目管理。Xunzhong Guo： 验证，监督指导，项目管理，资金获取。
利益冲突声明 作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的利益冲突或个人关系。
致谢 作者感谢以下项目的资金支持：中国
江苏省重大科技专项 （编号：BG2025020）、
江苏省研究生科研与实践创新计划 （编号：KYCX25_0607）以及
国家重点研发计划 （编号：2024YFE0212500）。作者感谢来自科学实验家（
www.shiyanjia.com ）的谭美红女士在微CT分析方面提供的宝贵帮助
Wancheng Lyu|Yizhou Shen|Xunzhong Guo
