摘要：据悉，美国贝勒大学、荷兰特温特大学的科研人员综述报道了铝合金搅拌摩擦沉积增材制造研究。相关论文以“Additive friction stir deposition of aluminum alloys: A critical review”为题发表在《Mat
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据悉，美国贝勒大学、荷兰特温特大学的科研人员综述报道了铝合金搅拌摩擦沉积增材制造研究。相关论文以“Additive friction stir deposition of aluminum alloys: A critical review”为题发表在《Materials & Design》上。
01
文章亮点
•对搅拌摩擦沉积增材(AFSD)进行了深入的批判性文献综述。
•本批判性综述重点关注快速发展的铝合金AFSD进展。
•将AFSD的文献数据合成为结构-性能-表现类型的Ashby图。
搅拌摩擦沉积增材(AFSD)通过逐层材料沉积实现近净形制造，利用摩擦热和塑性变形沉积原料，应用范围从部件制造到修复。鉴于铝合金具有有利的强度-密度比以及基于熔融的铝合金增材制造所面临的挑战，AFSD已成为一种克服基于熔融的原料和气氛控制限制的固态增材制造方法。本综述综合了最近发表的铝合金AFSD研究，考察了工艺参数、微观结构演变和机械性能之间的关系。科研人员特别关注工艺参数与热量分布、再结晶和相变的热循环之间的关系，以及它们对硬度、拉伸性能、疲劳寿命和耐腐蚀性的最终影响。本综述还探讨了AFSD在回收、修复和复合材料中的应用，对铝合金的AFSD进行了全面评估。最后，本综述提出了AFSD当前的技术挑战和局限性，并对未来的研究方向提出了建议。
关键词：搅拌摩擦沉积增材；微观结构；机械性能；工艺-结构-性能-表现关系
02
部分图文
图1.(a)方形原料单进给和(b)圆形原料双进给配置下制造的AFSD扳手示意图。摩擦和塑性变形加热原料和前一层（红色），使材料能够在工具下方流动。
图2.九种类似的、基于摩擦的固态增材制造方法的示意图描述。对于所有示意图，除非另有说明，移动方向朝向读者。(a)摩擦搅拌增材制造(FSAM),(b)摩擦搅拌粉末增材制造(FSPAM),(c)摩擦辊压增材制造(FRAM),(d)增材摩擦覆层(AFS),(e)搅拌摩擦沉积增材(AFSD),(f)双杆搅拌摩擦沉积增材(TR-AFSD),(g)摩擦螺旋挤压增材制造(FSEAM),(h)增材摩擦挤压沉积(AFED), 和(i)混合金属挤压和连接增材制造(HYB-AM)。
图4.AFSD构建体示例：(a)使用废铝合金带材原料通过铝合金沉积部分加工的扳手(b)沉积态 AA7050 交叉结构(c)沉积态AA6061圆柱形预成型件和机加工六角形底座(d)机加工 AA6061 大窗框(e)沉积态AA6061空心锥体(f)带有仍连接的双进给杆的 AA6061 航空航天部件(g)部分机加工的AA6061连接器(h)沉积态 AA6061 混合制造模型。
图5.AFSD 沉积的四个阶段。(a)停留阶段：工具在基板上旋转，无移动或沉积。(b)初始进给阶段：工具旋转无移动但有沉积。(c)沉积阶段：工具旋转和移动并有沉积。(d)重新定位阶段：工具在平面外移动，无沉积。
图8.工具转速、移动速率、热间距和构建表面之间的关系。
图9.左转(A1)-(A3)与右转(B1)-(B3)AFSD 构建体及其DBM弹性图。
图12.EBSD生成的(111)和(011)极图(PF)以及φ2=0°和φ2=45°取向分布函数(ODF)图，显示了(a)沉积态AFSDAA7050在构建方向上的织构，分别代表(b)交叉区、(c)过渡区和(d)停留区的织构。对于极图，y轴是构建方向，x轴是横向，纵向垂直于页面。从初始层到最终层，织构强度降低。
图15.沉积态AFSD和T74沉积后热处理(PDHT)AFSD AA7050的TEM显微照片。
图19.AFSD修复过程示意图，说明了直接突出搅拌区(DPSZ)和非突出搅拌区(NPSZ)。
图21.模拟飞机铝制紧固件孔的AA7050板孔修复后的疲劳性能。(a)有效修复、次有效修复、未修复基线和原始无损伤紧固件孔的失效循环次数比较。(b)基线、有效修复和次有效修复试样的数字图像相关应变场。(c)次有效修复的断裂表面。
图22.显示AFSD回收方法的示意图。回收方法涉及(a)切屑或碎屑(b)使用螺旋系统直接沉积或(c)首先进行挤压、铸造或压实，然后(d)作为实心棒传统沉积。
图23.限制AFSD材料各向同性和恢复峰值机械性能的一阶效应总结，按文献中搜索程度从高到低排序。
03
结论/展望
搅拌摩擦沉积增材(AFSD)是一种用于多种铝合金的增材制造、修复和回收的有前景的技术。与基于熔融的增材方法相比，AFSD具有更低的能耗、更高的沉积速率，并且能够在开放大气环境中使用更广泛的铝合金进行操作。虽然它与其他摩擦搅拌技术有相似之处，但AFSD的独特之处在于其中心进给原料、约束材料流动的非消耗性工具肩部，以及在工具-原料-基板界面发生的变形机制。
迄今为止的研究主要集中在6xxx和7xxx系列铝合金，部分文章关注2xxx和5xxx系列。大多数AFSD沉积使用方形原料，但也探索了圆棒配置。早期研究强调参数化和概念验证演示，而最近的工作已转向更大的构建体和 PDHT 技术。在修复应用中，研究考察了如何填充各种孔和槽几何形状、优化工艺参数，并开发确保完全致密修复且热输入最小的沉积路径。回收研究侧重于AFSD使用各种原料（包括废料流）以实现与传统原料相当或改进的性能的能力。覆层和复合材料方法利用了AFSD沉积异种材料和分散颗粒的能力，避免了界面缺陷和颗粒团聚。
通过优化参数，AFSD可以形成无孔隙等体积缺陷的完全致密沉积物。因此，最终的材料性能更多地受微观结构和析出物演变控制，而不是缺陷。热输入和塑性变形细化了微观结构和金属间化合物颗粒。在可热处理合金中，AFSD溶解或粗化了强化析出物，尤其是在构建体底部，该部位经历的热循环次数最多。这种热梯度导致硬度和强度的梯度，拉伸强度和显微硬度从构建体顶部到底部递减。在像 AA5xxx这样的不可热处理铝合金中，AFSD逆转了应变硬化和位错强化，降低了屈服强度。在修复应用中，AFSD固有的热输入导致基材中出现弱化的热影响区(HAZ)，该区域有时比未修复材料更弱，这凸显了在保持结构完整性的同时最小化热输入的必要性。
可热处理铝合金中的晶粒细化和析出物粗化也会降低疲劳和腐蚀抗力。疲劳强度，特别是在低周疲劳区域，显著下降，并且观察到疲劳行为的各向异性，构建方向的性能比纵向差。由于材料强度的降低，沉积态材料表现出比锻轧材料更差的抗裂纹扩展能力。与显微硬度和拉伸强度一样，疲劳强度随构建高度变化。耐腐蚀性，特别是抗晶间腐蚀能力，由于晶粒细化、溶质含量增加以及强化析出物的缺失而受到损害。
AFSD 热输入受工具转速（较高速度增加热量）和工具移动速率（较高速率减少热量）的影响。工具直径也影响热输入，较大的工具产生更多热量。工具突起有助于层间混合，但似乎对微观结构影响最小。模拟热历史的努力正在进行中，未来的发展可能包括在构建过程中结合主动冷却/加热。尽管已经研究了层厚度和沉积路径对微观结构和残余应力的影响，但仍需要进一步研究以完全理解工艺参数与沉积后性能之间的关系。
铝合金AFSD研究中的关键开放问题：
1)每种铝合金的AFSD最佳加工温度是多少？温度控制对于实现均匀的材料性能至关重要。虽然一些研究使用旋转/移动速度调整或感应加热来保持恒定温度，但需要更多的工作来理解为什么某些温度能产生更好的机械性能。
2)层间结合的最小应变和温度要求是什么？现有研究通常缺乏全面的参数集，仅侧重于通过调整进给速率、移动速率和工具转速来优化显微硬度或沉积效率。为每种合金建立应变-温度敏感性矩阵将有助于确定通用的结合参数。
3)工艺参数如何影响第二相颗粒的分布和尺寸？虽然已经研究了工艺参数对微观结构演变的影响，但工艺参数对析出物演变的影响，除了AA6082外，仍未得到充分探索。理解所有可热处理铝合金的这种关系对于优化AFSD在可热处理合金中的应用至关重要。
4)什么影响织构，以及织构如何影响层间结合？尽管AFSD通常会削弱与原料相比的织构，但工艺参数对织构的影响以及织构在结合强度中的作用尚不清楚。研究表明，某些工具转速可以增加剪切织构，并且剪切织构表征了无缺陷区域。然而，缺乏关于织构的多尺度建模及其对层间结合强度影响的研究。
5)每种修复几何形状的最佳挤压速率是多少？以最小缺陷和浪费有效填充凹槽至关重要。例如，一些研究表明，通过背板过度填充孔可以改善填充。机器学习可以帮助识别不同修复场景的最佳工艺窗口。
6)实现AFSD组件各向同性的最有效方法是什么？在析出强化铝中，PDHT 对于恢复材料强度是必要的，但标准热处理方法一直无法恢复构建方向的强度，并且经常导致异常晶粒生长(AGG)。解决这个问题的三种方法是：通过氧化物分散改善层间结合，通过确保足够的热输入控制析出物演变，以及开发定制的 PDHT。
7)AFSD 如何小型化？当前的机器体积庞大，限制了其特征分辨率以及在受限或太空环境中的使用。此外，在修复应用中，可能需要在机器人手臂上安装 AFSD。通过改进的桌面铣床进行小型化是一个有前景的方向。
8)最终用户如何确保AFSD组件质量？需要针对AFSD量身定制的无损检测(NDT)方法进行认证，尤其是在航空航天领域。应开发并调整 NDT 技术以适应AFSD工艺。此外，原位 NDT 也可以实现无缺陷组件的自适应控制，利用来自FSW的原理。
9)如何最小化残余应力？随着铝合金AFSD的成熟和规模化，管理残余应力变得至关重要。理解工艺参数和沉积策略对残余应力的影响对于准确预测最终构建几何形状和机械性能是必要的。还应探索PDHT对释放和诱发残余应力的影响。结合PDHT的沉积后残余应力消除是提高最终组件机械性能的一个感兴趣领域。
回答第1-6个问题将澄清对AFSD工艺的理解，使其在技术成熟度上与其他金属增材制造工艺相媲美。解决第7-9个问题将允许AFSD工艺得到更广泛的采用。克服这些挑战并增加对AFSD工艺-结构-性能关系的理解，将使得能够制造有效的AFSD零件，并进一步鼓励利用AFSD工艺进行修复和回收。
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟