搅拌摩擦固相沉积增材制造研究现状

基于搅拌摩擦焊与增材制造技术开发的搅拌摩擦固相沉积增材制造为金属增材制造提供了一种独特的固相加工路线,其具有适用材料范围广、构件综合性能良好、效率高、成本低等优点,在航空航天、武器装备等领域金属及金属基复材结构件制备方面具有广阔的应用潜力。鉴于搅拌摩擦固相沉积增材制造的独特优势,本文首先对搅拌摩擦固相沉积增材制造技术的基本原理、完全耦合的热变形过程以及沉积层宏观成形进行了简单介绍,之后对增材沉积层微观组织演变和力学性能进行了重点论述,大量研究表明搅拌摩擦固相沉积增材制造中独特固相成形可使增材构件产生类锻造态显微组织,该技术已被逐步应用于结构件制备、修复、涂层加工等领域中。最后对搅拌摩擦固相沉积增材制造技术进行了展望,指出该技术未来需在仿真模拟、制造工艺、技术优化、质量监测、复杂构件制备等领域中进一步研究和突破。

搅拌摩擦沉积增材2219铝合金组织及性能

在主轴转速250~350 r/min、横向移动速度50~150 mm/min工艺参数下进行2219-T87铝合金搅拌摩擦沉积增材(additive friction stir deposition,AFSD)实验,探究工艺参数与多层热循环对沉积层宏观成形、微观组织和力学性能的影响。结果表明:在主轴转速250 r/min,移动速度100 mm/min工艺参数下可获得成形良好的单道16层增材试样。增材区晶粒尺寸发生显著细化,在4~6μm之间,细小等轴晶组织取代沉积棒料粗大的无规则晶粒组织。增材试样发生剧烈的动态再结晶,整体再结晶晶粒在80%以上,试样底部(第1层)受到多次热循环影响,再结晶晶粒达到91.8%。增材区域织构基本由Cube、Copper、P和RtB四种再结晶织构以及S、T和Brass织构构成。增材试样的硬度和抗拉强度相比于沉积棒料都明显降低,其中,第16层沉积层硬度最大为80HV,约为沉积棒料母材的55.6%;第1~8层沉积层硬度均匀在60HV。增材区水平(longitudinal direction,LD)方向第9~16层和1~8层的平均抗拉强度分别为243.0 MPa和219.3 MPa,约为母材的60.0%和52.9%;平均伸长率为19.4%和24.5%,分别约为母材的181.1%和229.0%。增材试样LD方向断裂模式均为韧性断裂。

6061铝合金搅拌摩擦沉积增材修复工艺及修复区性能

为了探讨修复工艺及模拟凹槽缺陷尺寸对搅拌摩擦沉积增材(additive friction stir deposition,AFSD)修复区组织及性能影响规律,对5 mm厚AA6061-T6板进行AFSD修复工艺试验.结果表明,对于3 mm深度、6~24 mm不同宽度凹槽缺陷,采用主轴转速400 r/min、移动速度150~300 mm/min修复工艺均能实现沉积层与基板的有效冶金连接.当凹槽宽度小于送料棒直径时,可以获得完全致密无缺陷的修复区;修复区附近可划分为修复沉积区、热力影响区、热影响区及母材.沉积区完全由细小等轴晶组成,晶粒尺寸相当于基材晶粒尺寸的9.1%~12.8%;在沉积区内主要强化相β"相几乎全部溶解,平均硬度为母材硬度的71.6%.在400 r/min和300 mm/min工艺下,凹槽宽度12 mm修复态力学性能最佳,抗拉强度和断后伸长率分别为197.4 MPa和10.92%,试样均断裂于母材热影响区与热力影响区的交界处,具有韧性断裂模式.当凹槽宽度为24 mm大于送料棒直径时,在400 r/min和150 mm/min工艺下力学性能最佳,修复态抗拉强度和断后伸长率分别为178.9MPa和7.74%,此时产生于沉积层与基材结合界面的弱连接是影响修复性能关键因素.

2219-T8铝合金搅拌摩擦沉积增材初始进料阶段数值模拟研究

研究了高强铝合金2219-T8在搅拌摩擦沉积过程中初始进料阶段的温度、应变和塑性流动,并深入探讨了主轴转速和进料速度对材料流动性的影响规律。采用Arrhenius材料定律建立了三维有限元热力学模型。实验结果表明,在不同的工艺参数下,同一区域的沉积时间存在差异。在当前工艺参数设定下,主轴转速为350 r/min,进料速度为0.2 mm/s时,沉积速度最快,增材效率最高;随着主轴转速的增加,进料杆的升温速率增大,材料发生塑性变形的最高温度增加,应变速率也增大;随着进料速度的增加,材料流动性减弱,填补中空旋转工具与基板之间的间隙所需时间增加。

搅拌摩擦沉积增材技术研究进展

搅拌摩擦沉积增材(additive friction stir deposition,AFSD)技术是一种新兴固相增材制造技术,采用金属棒材、粉材、丝材为增材材料,增材过程中依靠增材材料与板材摩擦产生摩擦热以及材料剧烈变形产生的塑性变形热形成黏塑性沉积层,沉积层逐层堆积形成三维实体结构件;基于其固相特征,具有熔覆增材技术不可比拟的优势,目前已成为增材制造领域的研究热点。本文从设备研制、微观组织演变、材料流动特性、力学性能变化四个方面综述了AFSD技术最新国内外研究进展;分析了该技术应用于工程实际的可行性,展望了在增材制造、材料修复、零件加固、制造金属涂层领域的应用前景;最后指出了产热机制、材料流动特性、辅助优化工艺、智能化设备研制等为未来的研究方向。

搅拌摩擦增材制造方法研究进展

通过文献研究,将目前现有的搅拌摩擦增材技术分为两个大类:基于搅拌摩擦搭接焊的以板材为原材料的“搅拌摩擦搭接增材(FSAM)”与以棒材或丝材为原材料的“搅拌摩擦沉积增材(AFSD)”。重点综述了迄今已公开报道的三种方法:采用“实心轴肩+板材”的搅拌摩擦增材技术、“空心轴肩+棒材”的搅拌摩擦沉积增材技术、“空心轴肩+丝材”的搅拌摩擦沉积增材技术。其中后两种搅拌摩擦增材方法具有可连续增材的优越性,应用前景广阔。

高强铝合金搅拌摩擦类增材制造研究进展

增材制造技术作为传统材料制备与加工方式的有效补充,有望满足先进制造领域对大尺寸、高性能构件短周期制备的新需求。基于能量束的熔化增材制造在使用商业高强铝合金制备大构件时难以避免凝固缺陷,导致所制备构件的材料力学性能下降。搅拌摩擦类增材制造技术避免了凝固缺陷,增材构件致密、组织均匀、晶粒细小、织构较弱,提升了增材构件材料的综合力学性能。本文对搅拌摩擦类增材制造技术在制备高强铝合金方面的研究与应用进展展开综述,分析了搅拌摩擦类增材制造技术面临的挑战及发展趋势,为相关领域的研究提供有益参考。

基于搅拌摩擦的金属固相增材制造研究进展

基于搅拌摩擦的固相增材制造是大型轻质合金构件成形制造的新技术,已成为国内外先进成形制造领域研究的热点之一。本文对目前国内外基于搅拌摩擦的金属固相增材制造技术及其相关工艺机理的研究现状进行了分析和总结。常见的基于搅拌摩擦的固相增材制造技术可分为三类:基于搅拌摩擦搭接焊原理,使板材逐层堆积,从而获得增材构件的搅拌摩擦增材制造(friction stir additive manufacturing,FSAM)技术;采用中空搅拌头,通过添加剂(粉末或丝材)进行固相搅拌摩擦沉积的增材制造(additive friction stir deposition,AFSD)技术;采用消耗型棒材,通过棒材的摩擦表面处理,形成增材层的摩擦表面沉积增材制造(friction surfacing deposition additive manufacturing,FSD-AM)技术。重点分析了金属材料基于搅拌摩擦的固相增材制造技术的国内外研究与应用现状,对比了三类基于搅拌摩擦的固相增材制造技术的特征及其工艺优缺点。最后指出增材工艺机理、形性协同控制、外场辅助工艺改型、新材料应用和人工智能优化是基于搅拌摩擦的固相增材制造技术未来研究的重点方向。

AA2024-T3铝合金搅拌摩擦沉积增材组织及性能

采用自主研制的固相摩擦挤压增材制造设备进行20层2024-T3铝合金搅拌摩擦沉积增材(Additive friction stir deposition,AFSD)试验,探讨沉积界面塑性流动及沉积累积热循环对其微观组织和力学性能的影响。结果表明:在主轴转速300 r/min、横向移动速度100 mm/min下可成功获得成形良好的20层增材试样,每层厚度约为2.5 mm,最终增材宽度和高度分别在50~52 mm和48~50 mm。带凸台打印工具的搅拌摩擦挤压作用,使得沉积界面处材料混合程度明显提高并消除原始界面连线痕迹,有效提升沉积层界面结合强度并避免弱连接和未连接等缺陷产生。增材整体具有细小等轴晶组织特征,增材试样的整体晶粒尺寸在2~3μm。由于第二相粒子对晶界的钉扎作用,虽然增材层第1~12层区域受到多次热循环的影响,但其晶粒尺寸未发生长大。由于增材区的主要强化相溶解和粗化,硬度和抗拉强度在第1~12层发生明显降低。其中,第20层沉积层硬度最大为125 HV,第1-12层硬度均匀在70~80 HV。增材区水平方向第13~20层、第1~12层和垂直方向的平均抗拉强度为287.4 MPa、239.1 MPa和227.3 MPa;平均伸长率为14.3%、19.7%和17.7%。沿两个方向的断裂模式均为韧性断裂。

搅拌摩擦沉积增材技术研究现状

作为一种新兴固相增材制造技术,搅拌摩擦沉积增材(Additive friction stir deposition,AFSD)因其能够形成类似锻造微观结构而引起学者们广泛研究。目前,研究成果多集中于工艺机理、工艺特征和应用等方面。在工艺机理方面,AFSD工艺过程中过渡区与沉积区的材料流动机制、热量的产生与传递机制、微观结构演变机制和工艺参数-材料流动-热场演变相互作用机制等得到揭示。在工艺特征方面,研究发现AFSD具有固相、近净成型和界面混合等宏观特征,细化和等轴微观特征,这些特征深刻影响AFSD试件在硬度、拉伸等力学性能方面的表现。在应用方面,AFSD适用金属材料在不断拓展,在增材制造、涂层和复合材料制造、修复等领域表现出广泛潜力。综合工艺机理、工艺特征和应用等方面的研究进展,可知对AFSD的探索仍处于初级阶段,其高效率、高质量和低能耗的增材特性赋予其巨大的发展潜力。

基于摩擦搅拌的金属增材制造实验装置研制

为了研究工艺参数对增材摩擦搅拌沉积工艺的影响,基于摩擦搅拌工艺原理自主研制了金属增材制造实验装置。在主轴转速420 r/min、进给速度72 mm/min、移动速度72 mm/min、增材层厚3 mm、启动时间50 s的工艺条件下,对6061铝合金进行了单层和双层增材沉积初步实验。结果表明,该实验装置实现了良好的铝合金固相增材,可用于增材制造相关领域的科学研究和实验教学工作。

6061铝合金非连续搅拌摩擦增材制造与性能研究

目的利用非连续搅拌摩擦沉积增材制造技术制备了6061铝合金并研究了z方向非连续搅拌对合金性能的影响。方法使用超景深电子显微镜分析了预热时间对沉积增材成形工艺的影响,并探究了该工艺条件下沉积层的宏/微观缺陷、材料流动及拉伸力学性能关联规律。结果采用z方向非连续搅拌摩擦沉积增材成形工艺,在预热时间为35 s的条件下,除无横向约束的前进侧和后退侧出现了孔洞、弧形飞边及弱结合等微观缺陷外,沉积层中原料棒与凸起搅拌作用区的组织表现为高致密无孔洞的良好形态,原料棒及刀具凸起的强搅拌作用造成z方向材料流动存在差异,进而获得力学性能沿z方向具有梯度分布的完整沉积层,提高了搅拌摩擦沉积增材制造6061铝合金的成形效率。结论在相应的主轴转速(420 r/min)、平移速度(72 mm/min)、进料速度(72 mm/min)、刀具凸起高度(1.5 mm)与预热时间(35 s)工艺参数下,获得了稳定的增材沉积层,有效抑制了沉积层原料棒及凸起搅拌作用区的宏观缺陷,并使材料性能沿z方向呈梯度分布;沉积层抗拉强度达到了原料棒的57.15%;同时伸长率提升了185.8%,为高效率沉积增材及制备梯度性能构件提供了工艺借鉴。

新型固态金属沉积工艺及军事应用

MELD是用于沉积金属或金属基复合材料的固态热机械工艺,不同于基于能束的金属增材制造工艺,也不同于基于片材层压的固态金属增材制造工艺,其具有可扩展、开放式操作、高沉积速度、产生近锻造微观结构、适用材料范围广、应用领域多等特点,已开始在战地废金属回收再利用、高抗弹性能装甲防护涂层制备等领域获得应用,具有良好的军事应用前景。