固相搅拌摩擦沉积增材制造技术研究进展

搅拌摩擦沉积增材(Additive friction stir deposition,AFSD)是一种先进的固相增材制造(Additive manufacturing, AM)技术。与传统基于熔融的增材制造技术相比,它具有增材结构致密、材料低变形和过程高效节能等优势,在航空装备制造、交通运输、机械制造等领域拥有广阔的应用前景。本文综述了AFSD技术的原理、优势、组织演变特点和应用情况。重点介绍了AFSD过程中“工艺条件-微观组织-力学性能”相关性的研究现状,沉积材料力学性能受材料流动状态、界面连接机制、微观组织演变情况的综合影响。列举了AFSD技术在大型构件整体制造、高性能涂层、表面缺陷修复等领域的应用。最后,对AFSD技术进行了展望,指出该技术在工艺与组织变化耦合、原位变形条件模拟、工具头设计和新材料增材等方面需进一步研究和突破。

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。

侧向搅拌摩擦增材制造工艺优化与力学性能特征分析

为研究侧向搅拌摩擦增材制造工艺参数对增材区材料力学性能的影响,建立了响应面模型,对模型进行了回归分析,基于响应面法对工艺参数进行了优化,并通过方差分析验证了模型的可靠性。结果表明,在增材参数为旋转速度为982.81r·min^(-1),增材速度为36.147mm·min^(-1),下压量为2.428mm时增材区的最大抗拉强度为252.72MPa,断后伸长率为11.82%。根据工艺过程对最优工艺参数进行修正,随后进行5层侧向搅拌摩擦增材制造试验,并进行力学性能特征分析。结果表明,修正后最优工艺参数下增材区拉伸性能与母材性能相当,拉伸试件断裂方式为韧性断裂;后一层增材区硬度高于前一层增材区。

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。

主轴转速对搅拌摩擦增材2219铝合金显微组织及性能的影响

采用搅拌摩擦增材法(AFSD)制备2219铝合金零件,研究200、300和400 r/min三个不同的主轴转速对沉积态2219铝合金(2219-AFSD合金)的显微组织和力学性能的影响。结果表明:与合金母材(2219-T87合金)相比,2219-AFSD合金组织相对均匀,无明显组织缺陷;在摩擦热和塑性变形的作用下发生动态再结晶,2219-AFSD合金晶粒得到明显细化。沉积过程中温度越高,2219-AFSD合金晶粒尺寸越大,第二相回溶的驱动力越大,导致沉淀强化相重新溶解至基体、θ相尺寸减小及数量减少。2219-AFSD合金极限抗拉强度为265.6~312.5 MPa,约为母材的58%~68%;而2219-AFSD合金的伸长率优于母材,提高至母材的278%~294%。此外,晶粒尺寸和极限抗拉强度与主轴转速呈正相关,断裂伸长率与主轴转速呈负相关。

旋转速度对滚动摩擦沉积增材组织的影响

滚动摩擦沉积增材(Additive Friction Rolling Deposition,AFRD)是一种新兴的金属固态增材制造技术,特别适用于基于熔合增材制造方法易产生凝固缺陷的高强度铝合金。采用AFRD方法进行2024-O铝合金增材,获得全致密无缺陷的四层增材试件,利用金相显微镜、扫描电子显微镜对不同旋转速度增材试件宏观形貌、微观组织进行了表征。结果表明:(1)沉积层组织致密,无夹杂、裂纹等缺陷、相邻两沉积层之间形成良好的冶金结合。(2)沉积层呈现细小的轴晶粒组织,随着旋转速度升高,晶粒尺寸呈下降趋势。(3)沉积层第二相粒子呈现点片状分布于Al基体上,随着转速增大,第二相粒子趋向于细化与均匀。

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。

搅拌摩擦辅助电弧增材制造铝合金研究进展

高性能铝合金兼具轻质、高强、耐腐蚀等优点,在航空航天和汽车制造等工业领域应用前景广阔。电弧增材制造技术集成形效率高、原材料和设备成本低、环境适应性强等优点于一身,在大尺寸铝合金构件制备方面具有显著优势。但复杂热循环导致的晶粒粗大、组织不均匀、残余应力和气孔缺陷等问题,给电弧增材制造铝合金带来了挑战。搅拌摩擦加工技术具有良好的组织细化、均匀化和致密化效果,已作为同步调控或后处理手段用于铝合金的增材制造中。针对近年来搅拌摩擦辅助电弧增材制造铝合金的装备系统、工艺参数、组织结构和力学性能等方面进行了综述,并分析了搅拌摩擦辅助电弧增材制造技术的形性调控机理,最后对复合增材制造技术的发展趋势进行了展望。

搅拌摩擦增材制造技术研究进展

搅拌摩擦增材制造技术是一种全新的固相增材工艺,具有增材效率高、材料范围广、性能优、成本低等优点。搅拌摩擦增材制造方法主要分为板材叠加增材制造、搅拌摩擦沉积增材制造和损耗型摩擦堆焊增材制造。本文对搅拌摩擦增材制造技术的基本原理、沉积层微观组织演变和力学性能进行了论述,最后对搅拌摩擦增材制造技术的潜在应用进行了展望。

搅拌摩擦增材制造6082-T6铝合金的耐腐蚀性能研究

通过FSAM技术成功获得了6082-T6铝合金增材块,并对其耐腐蚀性能开展研究。结果表明:通过剥落腐蚀评级与静态失重法均说明增材体的耐腐蚀性能优于母材;动电位极化曲线与浸泡腐蚀试验也说明增材体较于母材,其腐蚀倾向与腐蚀速率较低,沿增材高度方向自下而上,腐蚀倾向与腐蚀速率呈逐渐降低趋势;6082-T6铝合金经过FSAM后,其粗大带状晶粒转变为细小等轴晶粒,强化相(Mg_(2)Si相)数量减少且分布均匀,二者是导致增材体耐腐蚀性能高于母材的主要原因。

6061铝合金搅拌摩擦增材堆焊工艺研究

采用搅拌摩擦增材制造技术进行A6061铝合金表面堆焊工艺试验。采用光学显微镜和扫描电镜观察堆焊层的晶粒组织形貌,分析工艺参数对堆焊层形状尺寸和晶粒尺寸的影响,并进行拉伸性能测试。结果表明:在其他工艺参数不变的情况下,金属棒料的旋转速度为338 r/min,送料速率为440 mm/min,刀具底部与金属底板表面的间隙为2.8 mm时,热塑变材料在长度方向的堆焊铺展效率最高;堆焊层的晶粒尺寸随着送料速率逐渐增加,表现为先显著减小而后逐渐趋缓;堆焊层的晶粒尺寸随着金属棒料旋转速度增加而增加;堆焊层各区域中的晶粒尺寸大小排列顺序为:中心>上方>下方;堆焊层材料的抗拉强度和屈服强度均略高于锻件材料,两者的延伸率则基本相当,堆焊层拉伸断口为典型延性断裂形貌。

2195铝锂合金搅拌摩擦增材制造成形与性能研究

搅拌摩擦增材制造作为一种新型固相增材制造技术,能够有效避免高强铝锂合金元素烧损的同时获得高性能增材构件。本文提出自限位搅拌摩擦增材制造方法,以铝锂合金带材为原料制备多层增材结构件。结果表明,搅拌摩擦增材区内材料流动充分,层间冶金结合良好。增材层晶粒尺寸和沉淀相分布主要受热–机械效应影响,搅拌道次越少的区域,热机效应小,沉淀相越多,硬度越高。单层增材厚度1 mm,增材速率达200 mm/min,增材区硬度最高为126.8HV,达到2195–T8铝锂合金的79.3%。同时,由于部分Cu元素固溶于增材区,搅拌摩擦固相增材区的耐腐蚀性能优于母材。

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。

搅拌摩擦增材制造的研究进展

介绍了基于搅拌摩擦焊原理开发的固相增材制造技术,根据制备工艺差异,搅拌摩擦增材制造技术可分为3类,分别为基于薄板逐层堆积的搅拌摩擦增材制造技术、消耗金属粉材的固相搅拌摩擦增材制造技术及消耗金属棒材的摩擦表面增材制造技术。对上述3类搅拌摩擦增材技术的国内外研究现状进行了介绍和分析,并对基于搅拌摩擦的固相增材制造技术未来的发展进行了展望。

“电弧+搅拌摩擦”复合增材制造铝/钢的组织和耐腐蚀性分析

为了实现铝/钢复合结构的灵活制造,提出了“电弧+搅拌摩擦”复合增材制造的新方法,即先利用旁路分流熔化极惰性气体保护焊在镀锌的Q235钢表面沉积一层薄的铝合金过渡层,再搅拌摩擦增材制造过渡层和6061铝合金.在电弧沉积过渡层过程中,镀锌层和旁路电弧促进了液滴在钢表面的润湿性和铺展性,获得了平整的表面成形,随后的搅拌摩擦增材制造过程消除了过渡层的气孔和裂纹缺陷,获得了表面成形良好且无缺陷的铝/钢复合结构.研究了不同焊丝成分(Al-Si,Al-Mg)对铝/钢复合结构的组织和耐腐蚀性能影响,结果表明,焊丝成分不会影响焊缝成形,但会影响界面金属间化合物层厚度,Al-Si焊丝的Si元素偏聚在铝/钢界面层附近,可以有效阻止Fe,Al元素的相互扩散,减少金属间化合物的产生.同时填充Al-Si焊丝的铝/钢结构耐腐蚀性好于填充Al-Mg焊丝,这是因为受到界面层金属间化合物的影响,金属间化合物会和基体发生电偶腐蚀,优先腐蚀铝基体,降低铝/钢复合结构耐腐蚀性能.创新点:(1)提出了一种“电弧+搅拌摩擦”复合增材制造铝/钢异种金属的新方法,解决了搅拌针和钢直接接触导致搅拌针受损的问题,同时通过搅拌摩擦增材使电弧堆焊过渡层产生的孔隙和裂纹等缺陷被消除.(2)相比于Al-Mg焊丝,Al-Si焊丝作为过渡层填充材料可以有减少金属间化合物,进而抑制组件电偶腐蚀.

搅拌摩擦增材制造技术研究现状与发展趋势

现有的高能束增材制造技术在成形大型高性能金属构件时存在适用材料范围有限、能源利用率低以及成形件各向异性等工艺特点,搅拌摩擦增材制造是近年来发展起来的一项新型固相增材制造技术,其无液态金属熔凝过程的成形特征为铝合金、镁合金等易氧化轻质合金的高性能快速制备提供了新的增材制造途径。文中首先指出现有高性能金属构件增材制造技术应用的局限性,重点介绍搅拌摩擦增材制造技术的工艺原理、性能优势及应用现状。综述了国内外所开展的主要搅拌摩擦增材制造技术现状,包括同轴送料式、预置料式等类别,进而展示了搅拌摩擦增材制造技术在轻质大型结构件增材制造及特征结构添加,梯度材料与涂层制备,缺陷损伤修复及新型复合材料制备等方面的应用潜力。最后,对搅拌摩擦增材制造技术的发展趋势进行了展望。通过文中综述,以期推动该技术在国内航空航天等领域大型轻质材料构件的制备方面实现应用。

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。