南航《AM》頂刊丨一種基于顆粒的攪拌摩擦增材制造技術

來源：增材制造碩博聯(lián)盟

近期，南京航空航天大學柔性成形技術與裝備研究團隊博士生呂萬程（第一作者）、郭訓忠教授（通訊作者）、沈一洲教授（通訊作者）在增材制造領域頂刊《Additive Manufacturing》（中科院1區(qū)，TOP期刊，IF=10.3）上發(fā)表了題為“Particle-based friction stir additive manufacturing of an Al-Mg-Mn alloy”的研究論文。

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104768

研究背景與意義
5xxx系列鋁合金（Al-Mg系）因其高強度、優(yōu)異耐腐蝕性和良好成形性，在航空航天、汽車和船舶等領域具有重要應用價值。以攪拌摩擦增材制造（Friction Stir Additive Manufacturing, FSAM）為代表的固相增材制造技術，因其能有效避免傳統(tǒng)熔融增材工藝制備Al-Mg合金時產(chǎn)生的熱裂紋、氣孔及有害相等缺陷，已得到重點關注和發(fā)展。目前，F(xiàn)SAM已經(jīng)發(fā)展出基于板材、棒材(AFSD)、絲材(W-FSAM)以及粉末的增材工藝，但上述大部分工藝受限于成熟規(guī)格原料（板、棒、絲），難以實現(xiàn)多材料復合�；�于粉末的FSAM雖可調材料成分，但現(xiàn)有工藝裝置采用螺桿擠出原理，存在工具清潔困難、非連續(xù)路徑沉積困難的挑戰(zhàn)。因此，發(fā)明一種材料成分可定制、可適應非連續(xù)路徑沉積的FSAM技術具有重要意義。

內容簡介      
本研究提出了一種基于顆粒的攪拌摩擦增材制造（P-FSAM）技術，該技術采用往復式推桿以可控頻率將原料顆粒定量、近連續(xù)地送入沉積區(qū)。在攪拌工具作用下，顆粒通過摩擦熱和大塑性變形實現(xiàn)熱塑化并逐層沉積。本文詳細闡述了P-FSAM的裝置細節(jié)、基本原理以及工藝參數(shù)，并以5356鋁合金顆粒為研究對象，系統(tǒng)分析了沉積過程中的層間混合行為、力-熱演變規(guī)律、微觀組織特征及力學性能。研究表明，當送料頻率與工具橫移速率匹配優(yōu)化時，可獲得具有等軸細晶組織的5356鋁合金沉積體，其Al3Mg2相完全溶解，在行進方向和堆積方向均展現(xiàn)出優(yōu)異的強塑性匹配（屈服強度＞210MPa，抗拉強度＞350MPa，延伸率＞20%）。本研究提出的P-FSAM技術不僅拓展了FSAM技術的材料適用范圍（有望包含金屬顆粒/粉末、復合材料顆粒、聚合物顆粒，甚至金屬廢料），其可多通道旁軸進料的特性更為梯度材料的高效制備提供了新途徑。

圖1 P – FSAM技術的基本原理示意圖

圖2 基于顆粒的攪拌摩擦增材制造技術裝置細節(jié)

研究發(fā)現(xiàn)與結論

1. 層間混合行為
打印構件橫截面化學腐蝕分析顯示：歸因于復合攪拌針與螺旋槽的協(xié)同作用，沉積區(qū)呈現(xiàn)類似攪拌摩擦焊的材料混合與流動行為。攪拌針區(qū)域產(chǎn)生周期性交替的波浪圖案，而刀具螺旋槽作用區(qū)表現(xiàn)出分層特征，攪拌針與刀具過渡區(qū)出現(xiàn)了沿Z方向的材料流動。這種流動行為源于本研究采用的一對互為反向的螺旋槽——材料在攪拌針底部受限從而逆向流動，與刀具背面螺旋槽的上升材料混合形成復雜流場。工具殘留物分析表明穩(wěn)態(tài)沉積過程中，熱塑性化材料主要在刀具范圍內發(fā)生流動，刀具拱形區(qū)主要作為顆粒輸送通道。

圖3 沉積層整體形貌與層間混合行為

圖4 沉積前后復合攪拌工具的形貌

2. 力熱演變

P-FSAM的沉積過程可分為四個階段：顆粒填充、軸肩抬升、保壓以及橫移。初始顆粒填充階段維持0.98kN恒定推力；抬升階段因材料未完全致密化，推力降至0.82kN以下；保壓階段隨著材料完全填充，推力攀升至2.94kN；進入穩(wěn)態(tài)移動階段后，推力回落至0.98kN并保持穩(wěn)定。這種獨特的力學響應是由于不同階段離散送料與連續(xù)沉積匹配關系存在差異導致的。

圖5 P-FSAM的四個典型階段以及推桿上對應力的監(jiān)測結果

沉積區(qū)溫度演變呈現(xiàn)階段性變化規(guī)律：在填充階段后期（最后15秒），隨著顆粒逐漸填滿沉積區(qū)，送料通道側開始產(chǎn)生局部摩擦熱，溫度梯度逐漸形成（<80℃）；當轉入保壓階段（約108秒起），沉積區(qū)達到完全填充狀態(tài)，摩擦接觸面積顯著增加，溫度隨之呈現(xiàn)穩(wěn)定的上升趨勢；至橫向移動階段，在攪拌工具持續(xù)作用下，溫度在20秒內快速地從80℃升至435℃峰值。溫度演變反映了材料填充狀態(tài)是影響產(chǎn)熱效率的根本原因。

圖6 P-FSAM四個典型階段的溫度隨時間變化曲線

3. 微觀組織

采用微區(qū)X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析（EDS）和電子背散射衍射（EBSD）等多種手段表征了P-FSAM制備的5356鋁合金微觀組織。研究結果表明：沉積體中Al3Mg2相完全溶解，Mg元素的非均勻固溶源于P-FSAM工藝中高溫高應變率變形導致的不完全動態(tài)再結晶，使得晶粒間位錯和空位等缺陷分布不均，導致了Mg原子的差異化擴散。沉積體呈現(xiàn)均勻細小的等軸晶組織（頂部平均晶粒尺寸3.28±1.07μm），晶粒在熱循環(huán)過程中保持穩(wěn)定，更多 HAGBs 的形成主要歸因于靜態(tài)恢復。與W-FSAM和AFSD相比，P-FSAM因較長攪拌針（多重的熱力耦合）和較低進給壓力（軸向壓縮程度低），呈現(xiàn)出介于兩者之間的位錯密度和晶粒尺寸水平。

圖7 不同高度IPF圖、GOS圖以及晶粒尺寸統(tǒng)計結果

圖8 不同高度GND密度和LAGBs占比統(tǒng)計結果

表1 5系鋁合金在AFSD、P-FSAM和W-FSAM三種工藝下的GND密度及晶粒尺寸對比

4. 力學性能
研究表明，P-FSAM制備的5356鋁合金沉積體展現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能和各向同性水平。拉伸測試結果顯示，堆積方向和前進方向的屈服強度分別為211MPa和218MPa，抗拉強度為353MPa和361MPa，延伸率為23%和27%。維氏硬度測試表明，沉積件橫截面硬度分布均勻（100-108HV），僅前進側局部區(qū)域（24-28mm）存在輕微波動。與WAAM、LPBF等傳統(tǒng)工藝相比，P-FSAM無需后處理或者改性處理即可實現(xiàn)高強度與高塑性的平衡，凸顯了固態(tài)增材制造技術在5系鋁合金構件制備中的優(yōu)勢。

圖9 沉積層力學性能測試結果

圖10 P-FSAM與其他工藝制備Al-Mg合金的拉伸性能對比

5. 結論

· 工藝控制關鍵：P-FSAM工藝控制的核心在于推桿往復頻率與工具移動速率的匹配，當比值超過臨界值時，即使低頻送料也能實現(xiàn)充分產(chǎn)熱和高質量沉積。

· 界面結合情況：通過攪拌針和螺旋槽的協(xié)同作用，P-FSAM制備的5356鋁合金沉積體表現(xiàn)出顯著的材料混合與流動特性，實現(xiàn)熱塑化材料在沉積區(qū)的Z向流動，增強界面結合。

· 力熱特性：5356鋁合金單道多層穩(wěn)態(tài)沉積階段推力穩(wěn)定在約1 kN，最高溫度達435°C。預熱階段需較高推力，但后續(xù)穩(wěn)態(tài)沉積過程中推力降低并保持穩(wěn)定。

· 微觀組織：動態(tài)再結晶使5356鋁合金晶粒細化，Al3Mg2相完全溶解。Mg原子非均勻固溶對宏觀拉伸性能無明顯影響，晶粒在熱循環(huán)中保持穩(wěn)定，熱循環(huán)中高角度晶界（HAGBs）增多主要由靜態(tài)回復導致。

· 力學性能：5356鋁合金沉積體在堆積方向（BD）和行進方向（TD）均表現(xiàn)出優(yōu)異的強塑性匹配（屈服強度＞210 MPa，抗拉強度＞350 MPa，延伸率＞20%），優(yōu)于熔融增材制造同類材料的沉積態(tài)性能。

· 應用潛力：P-FSAM拓展了攪拌摩擦增材制造技術的材料形態(tài)適用范圍，未來可探索金屬顆粒、復合材料顆粒、聚合物顆粒及金屬廢料的適用性。多通道旁軸送料工藝有望實現(xiàn)高效沉積與梯度材料制備。

團隊簡介：
南京航空航天大學柔性成形技術及裝備研究團隊始終堅持“立足空天、服務國防”的科研理念，以高質量黨建引領高質量發(fā)展，以服務國家和國防重大需求為牽引，系統(tǒng)開展柔性成形基礎理論、關鍵技術攻關、數(shù)字化柔性精確成形裝備研發(fā)與航空航天重大工程應用等工作。目前，團隊具有國家級高層次人才、國家級青年人才、重大基礎研究項目首席科學家、中國科協(xié)青年托舉、博新計劃等教師8名、博士研究生20余名、碩士研究生60余名。

團隊承擔某國家級人才項目、國家重大基礎研究項目、國家重大轉化項目、國家科技重大專項（07）、國家重點研發(fā)計劃重點專項、領域基金重點項目、國家級青年人才項目、國家自然科學基金項目（重點、面上、青年、國合）以及江蘇省重點研發(fā)計劃重點項目、國際合作項目等30余項，千萬級項目4項；另外承擔國防軍工型號預研、民口科技成果轉化關鍵技術和工藝研發(fā)等企業(yè)橫向項目等20余項。團隊獲授權專利110余件，出版中英文學術專著6部，發(fā)表學術論文240余篇【Nature Communications (IF=16.6)，Progress in Materials Science（IF=37.4），International Journal of Machine Tools & Manufacture（IF=14）】，牽頭制定國家標準4項；榮獲江蘇省科學技術一等獎、軍事科技進步二等獎、國防技術發(fā)明二等獎、教育部科技進步二等獎、日內瓦國際發(fā)明展特別金獎（大會最高獎）等省部級獎8項。