陳 剛，武 凱*，孫 宇，賈賀鵬，朱志雄，胡峰峰

(1 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094;2 航天工程裝備(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215200)

增材制造技術(shù)是智能制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，俗稱為3D打印技術(shù)，美國材料試驗(yàn)與材料學(xué)會將其定義為一種與減材制造相反的、通過3D數(shù)據(jù)模型連接材料逐層堆疊以制造物體的過程[1]。相對于傳統(tǒng)減材加工技術(shù)，增材制造技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)：首先減少了材料的浪費(fèi)，以粉材、絲材為增材原料，通過自下而上的層層堆疊，就可實(shí)現(xiàn)零件的一次成型，加工周期短，加工工序簡單，加工效率高；其次增材零件微觀組織具有晶粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)致密和力學(xué)性能優(yōu)良的特征；另外通過精確控制增材工藝參數(shù)和調(diào)整增材原料的成分，可對復(fù)合材料、功能梯度材料等高性能材料直接完成近凈成形。增材制造技術(shù)已經(jīng)在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車制造等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工程應(yīng)用[2]。

目前，在金屬增材制造領(lǐng)域按照增材過程中材料是否發(fā)生熔化和凝固，可分為基于熔覆的增材制造技術(shù)和固相增材制造技術(shù)[3]。前者包括直接能量沉積技術(shù)、粉末床融合技術(shù)、激光燒結(jié)技術(shù)、液態(tài)金屬流快速冷卻增材技術(shù)、激光選區(qū)熔化技術(shù)等，其基本工作原理為采用數(shù)字化可控?zé)嵩磳⒉牧先刍龠M(jìn)行逐層的熔覆疊加，最終成型結(jié)構(gòu)件?；谌鄹驳脑霾募夹g(shù)已經(jīng)歷了較長時(shí)間的發(fā)展，但仍存在諸多問題和難點(diǎn)，主要為：短時(shí)間內(nèi)的高熱量局部輸入，會導(dǎo)致較大的熱梯度和較高的冷卻速率，從而產(chǎn)生孔隙、裂紋、高殘余應(yīng)力和具有大柱狀晶粒的各向異性微觀結(jié)構(gòu)；對于高熔點(diǎn)材料，增材效率低下嚴(yán)重制約大尺寸構(gòu)件的增材制造；增材時(shí)能量集中密度大，金屬在高溫下存在氧化燒損現(xiàn)象、增材過程由于固液相變復(fù)雜、表面擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)等問題，需要考慮組織結(jié)晶情況。因此基于熔覆的增材制造技術(shù)很難滿足工件小變形、低殘余應(yīng)力、高增材效率的要求[4-5]。

攪拌摩擦沉積增材(additive friction stir deposition, AFSD)技術(shù)是一種新興的金屬固相增材技術(shù)，增材過程中材料不發(fā)生熔化，因此無孔隙、熱裂紋等熔化缺陷，能彌補(bǔ)熔覆增材的固有缺陷，并且增材效率高，適用于大尺寸零件的增材制造；同時(shí)增材過程中對環(huán)境要求低，理論上在真空、水下均可進(jìn)行，在環(huán)境友好性方面，不產(chǎn)生污染性氣體，綠色環(huán)保。本文從增材設(shè)備研制、微觀組織演變、材料流動特性、材料力學(xué)性能變化等方面綜述了AFSD技術(shù)國內(nèi)外的最新研究進(jìn)展，并指出目前研究存在的不足。基于AFSD技術(shù)的典型特征和目前的發(fā)展現(xiàn)狀，展望了未來的發(fā)展方向。

1 攪拌摩擦沉積增材技術(shù)

攪拌摩擦焊接(friction stir welding, FSW)技術(shù)是1991年英國焊接研究所TWI發(fā)明的新型金屬連接技術(shù)[6]，其工作原理如圖1(a)[7-8]所示：高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭扎入被焊工件的接縫處，攪拌頭與工件產(chǎn)生劇烈摩擦，摩擦熱量將材料塑性軟化，同時(shí)攪拌頭將兩側(cè)的工件進(jìn)行攪合，材料發(fā)生塑性流動產(chǎn)生“機(jī)械咬合”，在摩擦熱和機(jī)械攪拌的綜合作用下，隨著攪拌頭的移動，在工件的接縫處形成致密的焊縫組織，實(shí)現(xiàn)工件的快速連接[9-11]。其優(yōu)勢在于綠色環(huán)保、焊接效率高、材料變形小、焊接接頭強(qiáng)度高可靠性高。攪拌摩擦焊接技術(shù)經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，已經(jīng)在汽車制造、航空航天、軌道交通、船舶制造等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，已日趨成熟。相對于傳統(tǒng)焊接技術(shù)，該技術(shù)的主要特征在于焊接時(shí)材料未熔化，焊接溫度約為熔點(diǎn)的60%～90%[12]，因此稱為固相焊接技術(shù)。

摩擦堆焊(friction surfacing, FS)技術(shù)是一種使用金屬棒材進(jìn)行固態(tài)涂覆的涂層工藝，該技術(shù)最早由英國Klopstock和Neelands[13]專利中提出，工作原理如圖1(b)[7-8]所示：高速旋轉(zhuǎn)的金屬棒材在施加的軸向載荷下與板材發(fā)生劇烈摩擦，在棒材與板材的接觸界面處產(chǎn)生大量摩擦熱量，在摩擦熱量、徑向剪切力和軸向壓力的綜合作用下，金屬棒材和板材發(fā)生塑性軟化，在界面處產(chǎn)生黏塑性邊界層，并發(fā)生相互擴(kuò)散，從而在金屬棒材和板材之間形成冶金結(jié)合，隨著金屬棒材的橫向移動，黏塑性材料均勻沉積在板材上形成金屬涂層，由于塑化材料在徑向和軸向方向上均沒有約束，因此隨著黏塑性材料的增多，會在金屬棒材的周圍形成冗余卷邊。FS過程中的熱量來自于兩部分，一是金屬棒材與板材劇烈摩擦產(chǎn)生的摩擦熱，二是金屬棒材和板材發(fā)生塑性變形產(chǎn)生的變形熱，該兩部分熱量總和約為材料熔點(diǎn)的50%～90%[14]，因此將其稱為固相涂層工藝。

攪拌摩擦沉積增材(additive friction stir deposition, AFSD)技術(shù)是攪拌摩擦焊和摩擦堆焊結(jié)合形成的變體技術(shù)。該技術(shù)的增材原料可以為金屬粉末、絲材、棒材等。以金屬棒材為增材材料時(shí)，金屬棒材通過夾持或通過將金屬棒材制造為特殊截面形狀與中空軸輸送孔配合的方式使其隨中空軸旋轉(zhuǎn)，并在棒材上施加軸向力與工作平面上的金屬板材發(fā)生劇烈摩擦，在剪切力、軸向壓力和摩擦熱量的綜合作用下，板材和增材原料在接觸界面處同時(shí)發(fā)生塑性軟化(未達(dá)到材料熔點(diǎn)，約為熔點(diǎn)的50%～90%)，軟化的金屬材料在板材和軸肩面的界面處形成黏塑性材料，軸肩面的攪拌凸起將軟化的板材材料和增材原料進(jìn)行攪拌混合，使其產(chǎn)生冶金結(jié)合，同時(shí)驅(qū)動空心軸橫向移動，黏塑性材料在空心軸軸肩的擠壓下，沿橫向鋪展形成初始沉積層，隨著空心軸不斷的往復(fù)移動，在初始沉積層上不斷添加后續(xù)層，如圖1(c)所示，最終形成三維實(shí)體零件[7-8]。目前，以金屬棒料為增材材料是主要增材形式，但AFSD技術(shù)也可以以粉材、絲材為增材材料，具體實(shí)施形式為，粉材或絲材通過中空軸螺旋槽輸送到基板表面，材料隨中空軸旋轉(zhuǎn)，并在軸向擠壓力的作用下與基板摩擦，在摩擦熱和擠壓力的作用下塑性軟化并固結(jié)形成沉積層，如圖1(d)所示[7-8]。

圖1 工作原理圖[7-8](a)攪拌摩擦焊；(b)摩擦堆焊；(c)棒料攪拌摩擦沉積增材；(d)粉材或絲材攪拌摩擦沉積增材Fig.1 Schematic diagram[7-8](a)FSW;(b)FS;(c)rod-AFSD;(d)powder or wire-AFSD

AFSD技術(shù)同時(shí)結(jié)合了攪拌摩擦焊接技術(shù)和摩擦堆焊技術(shù)的固相特征，使得增材在材料的熔點(diǎn)以下進(jìn)行，但又與攪拌摩擦焊接和摩擦堆焊技術(shù)有所不同。首先，AFSD技術(shù)沒有攪拌針，而是將攪拌針替換為增材材料，并在軸肩面上設(shè)置攪拌凸起，使增材兼具攪拌摩擦焊接中的攪拌和摩擦特性；其次，當(dāng)增材原料為金屬棒料時(shí)，增材過程中，金屬棒料與板材之間的摩擦沉積特性完全與摩擦堆焊一致，區(qū)別在于摩擦堆焊中消耗棒料徑向沒有約束，會形成冗余卷邊，而攪拌摩擦沉積固相增材技術(shù)通過中空軸輸送棒料同時(shí)帶動棒料旋轉(zhuǎn)，棒料在徑向有中空軸的約束，從而不會形成冗余卷邊，同時(shí)軸肩面的攪拌凸起迫使板材材料和棒材材料進(jìn)行混合擴(kuò)散。相比摩擦堆焊技術(shù)，攪拌摩擦固相增材技術(shù)在金屬涂層領(lǐng)域，具有更明顯的優(yōu)勢。

AFSD技術(shù)的首次報(bào)道是2009年美國Wendell等[15]在其申請的專利中介紹了這種技術(shù)，并公開了所研制的金屬固相增材系統(tǒng)。但是，該技術(shù)在后面幾年并沒有引起研究人員的重視，相關(guān)研究陷入停滯階段。直到2015年美國弗吉尼亞理工學(xué)院的Calvert在其畢業(yè)論文中再次提及了該技術(shù)[16]，研究中采用的攪拌摩擦沉積固相增材技術(shù)以霧化WE43鎂合金粉末為增材材料制成了多層結(jié)構(gòu)，制造方法是將霧化WE43鎂合金粉末通過旋轉(zhuǎn)的中空軸輸送到8 mm厚的WE43-T5鎂合金基板上，鎂合金粉末在軸向擠壓力和徑向剪切力的作用下與基板摩擦，粉末在軸肩的擠壓下固結(jié)形成沉積層，逐層堆積形成多層結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)該多層結(jié)構(gòu)件具有幾乎各向同性的拉伸性能，經(jīng)過時(shí)效處理后，增材結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能超過了在T5熱處理?xiàng)l件下WE43鎂合金基材。近年來，該技術(shù)又重新受到了學(xué)者們的關(guān)注，目前正處于高速發(fā)展階段。

2 攪拌摩擦沉積增材技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 設(shè)備研制現(xiàn)狀

研制攪拌摩擦沉積增材專用設(shè)備是廣泛開展技術(shù)研究的前提。2018年美國Aeroprobe公司以AFSD技術(shù)為主要研究目標(biāo)孵化了MELD子公司，MELD公司隨后開發(fā)了攪拌摩擦沉積固相增材專用設(shè)備[17]，如圖2(a)，(b)所示，主軸傳動方式均為帶傳動，但L3設(shè)備加工空間更大。隨著設(shè)備的研制成功，該項(xiàng)技術(shù)逐漸受到美國多個(gè)研究單位的關(guān)注，其中包括阿拉巴馬大學(xué)、弗吉尼亞理工大學(xué)、美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室等，并已取得多項(xiàng)研究成果，研究方向主要集中在微觀組織演變、力學(xué)性能變化、材料流動特性等方面。根據(jù)已公開的研究文獻(xiàn)顯示，B8設(shè)備和L3設(shè)備均以截面尺寸為9.5 mm×9.5 mm的方形金屬棒材為增材原料，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)送料，方形金屬棒材通過中空軸方孔進(jìn)行送料，并隨中空軸旋轉(zhuǎn)，在軸向力的作用下與基板摩擦形成沉積層。AFSD技術(shù)理論上增材原料形式既可為棒材，也可為粉材、絲材等，但目前還未出現(xiàn)直接以粉材、絲材為增材材料的專用AFSD設(shè)備。

圖2 MELD公司攪拌摩擦沉積固相增材設(shè)備[17](a)AFSD設(shè)備B8； (b)AFSD設(shè)備L3Fig.2 AFSD machine of MELD corporation[17](a)B8 machine;(b)L3 machine

自2021年起，AFSD技術(shù)逐漸引起國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、山東大學(xué)、天津大學(xué)、昆山哈工萬洲研究院等高校和研究機(jī)構(gòu)均對該技術(shù)開始研究；受限于沒有專用設(shè)備，目前均致力于研制AFSD專用設(shè)備，在設(shè)備研制方面已申請了諸多相關(guān)專利[18-21]。2022年初，天津大學(xué)楊新歧教授團(tuán)隊(duì)成功研制了攪拌摩擦固相增材設(shè)備[22]，如圖3(a)所示，該設(shè)備最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到0～3000 r/min，鍛壓力可達(dá)到0～100 kN，增材材料為直徑10～20 mm，長度200～300 mm的金屬棒材，可實(shí)現(xiàn)大尺寸零件的增材制造，圖3(b),(c)為成功制造的AFSD零件[22]。該設(shè)備目前只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺，還無法用于批量生產(chǎn)。

圖3 天津大學(xué)攪拌摩擦沉積固相增材設(shè)備和實(shí)驗(yàn)成果[22](a)AFSD設(shè)備；(b)AFSD實(shí)驗(yàn)成果A；(c)AFSD實(shí)驗(yàn)成果BFig.3 AFSD machine and AFSD experimental results of Tianjin university[22](a)AFSD machine;(b)AFSD experimental results A;(c)AFSD experimental results B

開發(fā)以金屬棒材為進(jìn)給材料的AFSD設(shè)備，其中連續(xù)送料技術(shù)是主要開發(fā)難點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)快速換料或者不間斷送料是目前國內(nèi)設(shè)備研制的瓶頸。另外，當(dāng)設(shè)備使用時(shí)間較長時(shí)，中空軸存在嚴(yán)重的發(fā)熱問題，中空軸與金屬棒料之間的熱傳導(dǎo)引起金屬棒料發(fā)生過度熱膨脹，從而造成金屬棒料與中空軸內(nèi)壁摩擦力增大，沿軸向無法進(jìn)給，因此設(shè)備的自冷卻技術(shù)也是后續(xù)設(shè)備研制方面的重點(diǎn)。國內(nèi)研究起步較晚，但隨著后期研究的深入和關(guān)注程度的增加，可以預(yù)期在不久的將來會有各型AFSD專用設(shè)備誕生。

2.2 微觀組織演變

材料的微觀組織演變直接影響材料的力學(xué)性能和服役壽命，決定了材料能否應(yīng)用于工程實(shí)際。Phillips等[23]研究了6061鋁合金AFSD后材料的微觀組織演變，發(fā)現(xiàn)相對于進(jìn)給材料，AFSD材料的晶粒尺寸下降了93%，從200 μm下降至(15±4) μm，晶粒尺寸的下降是由于AFSD過程中，在大的剪切力和軸向力作用下材料發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，從而導(dǎo)致連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。工藝參數(shù)對動態(tài)再結(jié)晶過程有著顯著影響，AFSD的工藝參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速、增材材料進(jìn)給速度和主軸橫向移動速度，表1[23-36]總結(jié)了AFSD工藝參數(shù)和AFSD后的晶粒尺寸和微觀硬度，其中增材材料主要為輕質(zhì)合金，如鋁合金、銅合金、鎂合金等；Phillips等研究還發(fā)現(xiàn)，在主軸轉(zhuǎn)速不變的情況下，增大主軸橫向移動速度和增材材料進(jìn)給速度，再結(jié)晶晶粒明顯減少，同時(shí)小角度晶界占比減少，如圖4(a)～(d)所示，說明隨著主軸橫移速度的增大，動態(tài)再結(jié)晶程度降低，發(fā)生了更多的不連續(xù)再結(jié)晶[23]。

表1 AFSD工藝參數(shù)總結(jié)Table 1 Summary of AFSD parameters

晶粒細(xì)化現(xiàn)象在Perry等[24]的研究中也被證實(shí)，AA2024鋁合金晶粒由25～30 μm晶粒轉(zhuǎn)化為平均尺寸為1.36 μm的等軸晶粒，而且表明為連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶而非不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，不連續(xù)再結(jié)晶以無位錯(cuò)晶粒的“形核”和生長為特征，通常會在再結(jié)晶完成之前形成非均勻微觀結(jié)構(gòu)，而連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶(CDRX)不包括離散形核和晶粒生長。其部分特征是，由于同時(shí)存在變形和動態(tài)回復(fù)，位錯(cuò)逐漸累積、湮滅和重組，從而形成亞晶粒。隨著進(jìn)一步的應(yīng)變發(fā)展，晶粒取向差增加，亞晶界轉(zhuǎn)變?yōu)樾〗嵌染Ы纾罱K轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠼嵌染Ы?，連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶的特征與觀察到的微觀組織演變完全一致。另外，鋁合金中的連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶通常通過幾何動態(tài)再結(jié)晶或漸進(jìn)晶格旋轉(zhuǎn)進(jìn)行。幾何動態(tài)再結(jié)晶的特點(diǎn)是形成細(xì)長的細(xì)晶粒和帶有鋸齒狀的大角度晶界，如圖4(e)所示，這些大角度晶界會收縮形成等軸亞晶粒大小的晶粒，這是AFSD過程中發(fā)生連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶的直接佐證[24]。

印度帕特納理工學(xué)院的Mukhopadhyay和Saha[37]以鋁粉為增材原料使用AFSD技術(shù)沉積制造了3D零件，研究發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸由167 μm下降至14.8 μm，但在零件內(nèi)部發(fā)現(xiàn)微觀孔隙，分析造成的原因一方面由于是該實(shí)驗(yàn)是通過空氣壓縮機(jī)將鋁粉輸送到增材區(qū)域，再依靠摩擦熱量將鋁粉軟化沉積，施加在鋁粉上的壓力不足，導(dǎo)致零件結(jié)構(gòu)不夠致密；另一方面可能是由于主軸轉(zhuǎn)速和主軸橫向移動速度選擇不夠合理。Rivera等[38]研究了AFSD制造鉻鎳鐵合金625的微觀組織演變，進(jìn)給材料的晶粒尺寸平均為30 μm，而AFSD形成的鉻鎳鐵合金625沉積層的晶粒尺寸平均為0.5 μm，最大為1.5 μm,在層間結(jié)合界面處，晶粒更小約為0.26 μm。

AFSD技術(shù)也可以用于對高強(qiáng)度材料進(jìn)行增材制造。Agrawal等[25]增材制造了Ti-6Al-4V合金，以廢棄金屬屑為原材料實(shí)現(xiàn)了材料的回收再利用，制成了135 mm長60 mm高的致密結(jié)構(gòu)件，在不同工藝參數(shù)下，分別增材制造了B1，B2和B3三種樣品，對比了微觀組織的異同，金屬屑的微觀結(jié)構(gòu)主要由α相和少量β相組成，AFSD過程中的峰值溫度超過了β相的轉(zhuǎn)化溫度，β相轉(zhuǎn)化為α相，測試發(fā)現(xiàn)三種樣品的α相和β相分?jǐn)?shù)幾乎沒有變化，因此表明AFSD工藝參數(shù)對相的穩(wěn)定性沒有實(shí)質(zhì)性影響。另外，三種樣品B1，B2和B3的晶粒尺寸分別由(26±1.0)，(30±0.5)，(64±3.0) μm減小至(0.72±0.05)，(0.90±0.08)，(1.10±0.02) μm。Griffiths等[39]采用AFSD技術(shù)對7075高強(qiáng)度鋁合金進(jìn)行修復(fù)，將增材材料填充進(jìn)待修復(fù)的7075板材中，填充材料具有更細(xì)小的晶粒尺寸，平均晶粒尺寸為(3.4±0.7) μm，而7075板材表現(xiàn)出鋁合金軋制微觀結(jié)構(gòu)的典型拉長晶粒。結(jié)果表明AFSD技術(shù)用于修復(fù)可以顯著改變原料的微觀結(jié)構(gòu)，通過動態(tài)再結(jié)晶形成等軸細(xì)晶粒。另外對于7075鋁合金，晶粒細(xì)化首先通過動態(tài)回復(fù)進(jìn)行，形成亞晶粒，隨后應(yīng)變誘導(dǎo)晶粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而形成大角度晶界，這一過程與連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶的特征一致。在AFSD過程中，材料發(fā)生了連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，晶粒轉(zhuǎn)化為等軸細(xì)小晶粒，晶粒尺寸明顯減小。但是目前增材形成的結(jié)構(gòu)件均尺寸較小，在大尺寸結(jié)構(gòu)件增材時(shí)，長時(shí)間的熱循環(huán)和熱累積是否會影響微觀組織演變，目前還沒有相關(guān)研究成果公布，還需后期深入研究。

2.3 材料流動特性

攪拌摩擦焊接過程中，塑化材料在攪拌針攪拌作用和周圍材料的約束作用下，發(fā)生充分混合，形成致密焊縫，金屬材料的流動與焊縫的成型質(zhì)量密切相關(guān)，材料流動不足或者過剩都將產(chǎn)生焊接缺陷，直接影響焊縫的力學(xué)性能[40]。目前關(guān)于攪拌摩擦焊接過程中的材料流動行為已經(jīng)有了廣泛的研究[41-44]。AFSD過程中的材料流動行為與攪拌焊接有本質(zhì)上的不同，一方面，塑化材料在徑向方向上沒有約束，可以在軸肩面和增材層之間自由流動，另一方面，塑化材料受軸面攪拌凸起的攪拌作用，而非像攪拌摩擦焊中攪拌針的攪拌作用，從外形尺寸上攪拌凸起的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于攪拌針的尺寸，因此其攪拌作用較弱。

由于AFSD技術(shù)正處于起步研究階段，關(guān)于其材料流動特性方面的研究較少。Mejpa等[26]采用X射線表征技術(shù)研究了AFSD過程中的材料流動和界面形成機(jī)理，研究表明在增材層表面，材料從前進(jìn)側(cè)流向后退側(cè)，形成“洋蔥環(huán)”特征，如圖5(a)所示；該特征也在攪拌摩擦焊中能夠觀察到[45]，并且在沉積結(jié)束處會形成粗糙的圓形區(qū)域，而在攪拌摩擦焊中，由于攪拌針的上移，會在焊縫區(qū)域形成匙孔?！把笫[環(huán)”是由刀具每次旋轉(zhuǎn)時(shí)刀具邊緣和沉積材料頂面之間的相互作用造成的，隨著刀頭向前移動，沉積材料從刀具后側(cè)流出沉積區(qū)域(即刀具下方的區(qū)域)。在徑向方向上，塑化材料沒有約束作用，從刀具后側(cè)流出后會向上流動，如圖5(b)所示，因此增材層的厚度大于刀具軸肩面與基板之間的間隙，在該文獻(xiàn)中，刀具軸肩面與基板的距離為1 mm，而形成的增材層厚度為1.65 mm[26]。另外，該研究通過對增材層的橫截面處觀察發(fā)現(xiàn)，基板材料向上遷移，增材材料向下移動，兩種材料進(jìn)行了充分的混合。

摩擦堆焊中，消耗性棒料與板材的接觸特性與AFSD中增材棒料與基板的接觸特性相似。Khalid等[46]研究了摩擦堆焊中金屬棒料的材料流動特性，研究表明所形成的涂層在靠近板材的位置，其材料流動行為與板材的移動速度密切相關(guān)，而靠近旋轉(zhuǎn)棒材位置，材料沿著棒材的旋轉(zhuǎn)方向流動?？傮w而言，在涂層內(nèi),頂層和底層的流動方式不同，頂層傾向于向上流動，底層傾向于向基板移動。與AFSD相比并未發(fā)現(xiàn)基板材料向上遷移的現(xiàn)象，這可能是由于AFSD過程中，軸肩面有攪拌凸起，基板材料在攪拌凸起的摩擦攪拌作用下，發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，形成黏塑性材料，黏塑性材料在增材棒料的擠壓作用下向上遷移。摩擦堆焊中，沒有刀具作用，僅依靠消耗性棒料與板材進(jìn)行摩擦，而板材面積較大其熱傳導(dǎo)能力大于消耗性棒料，在相同摩擦熱量下，棒料與板材的接觸區(qū)域消耗性棒料的軟化程度大于板材，在消耗性棒料的軸向擠壓下無法迫使板材材料向上遷移。將攪拌摩擦焊接、摩擦堆焊和攪拌摩擦沉積增材的材料流動特性總結(jié)如表2[26,41-44,46]所示。

表2 材料流動特性總結(jié)Table 2 Summary of characteristics of material flow

材料的流動特性不僅與加工過程有關(guān)，并且與材料自身性能相關(guān)。Griffiths等[27]研究對比了鋁合金和銅合金的流動特性，研究發(fā)現(xiàn)在鋁合金中，在沉積區(qū)觀察到大量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，多余的進(jìn)料以圓形飛邊的形式離開沉積區(qū)，如圖5(c)所示；與此相反，在銅的沉積區(qū)幾乎沒有觀察到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，其中沉積的材料由于新材料的輸入而被側(cè)向推動，飛邊以橫向平移的方式離開沉積區(qū)，如圖5(d)所示。分析原因是由于刀具材料為工具鋼，鋼和鋁合金之間的黏著系數(shù)高于鋼和銅合金之間的黏著系數(shù)，當(dāng)?shù)毒咻S肩與塑化材料接觸后，鋁合金材料能隨著刀具轉(zhuǎn)動，因此在鋁合金的沉積區(qū)觀察到大量的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而鋼和銅合金之間的黏著系數(shù)較小，銅合金不能隨著刀具轉(zhuǎn)動，黏塑性銅合金材料的主要流動形式為滑動，因此在銅合金沉積區(qū)，多余材料以橫向移動的方式流出沉積區(qū)。

攪拌摩擦沉積增材過程中的材料流動特性與刀具幾何特征、材料性能、工藝參數(shù)、溫度場分布等均密切相關(guān)，而各參數(shù)相互耦合導(dǎo)致材料流動特性不易分析。而且材料內(nèi)部的流動無法通過宏觀觀察進(jìn)行分析，只能借助相關(guān)檢測儀器和示蹤材料進(jìn)行微觀分析。上述研究只是研究了在一種刀具作用下材料的流動形式，并未研究材料流動行為與工藝參數(shù)之間的關(guān)系。材料的流動行為直接影響增材件的力學(xué)性能以及微觀缺陷的形成，后續(xù)研究需建立工藝參數(shù)-刀具幾何形狀-材料流動特性-力學(xué)性能之間的關(guān)系，為AFSD技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)際建立理論基礎(chǔ)。

2.4 材料力學(xué)性能變化

AFSD技術(shù)作為一種增材制造技術(shù)，其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是用于快速制造三維實(shí)體零件，因此衡量此技術(shù)能否應(yīng)用于工程實(shí)際的最重要指標(biāo)就是增材形成的結(jié)構(gòu)件其力學(xué)性能能否達(dá)到使用要求。結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能包括極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率、微觀硬度和疲勞特性等。Phillips等[28]研究了AA6061-T651鋁合金增材制造后的力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)與進(jìn)給材料相比，增材件的微觀硬度由112HV下降至64HV，極限抗拉強(qiáng)度也發(fā)生下降，分析造成的原因是進(jìn)給材料是熱處理強(qiáng)化鋁合金，在重復(fù)的熱循環(huán)作用下，強(qiáng)化相發(fā)生溶解，這一現(xiàn)象在攪拌摩擦焊接中也能觀察到。通過掃描電鏡對斷裂面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在斷裂面處有微觀氧化物，微觀氧化物的聚集形成顆粒線，局部分層出現(xiàn)在顆粒線位置處，斷裂機(jī)制為氧化物顆粒形成孔洞，孔洞形核、長大、聚集導(dǎo)致斷裂，呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征。Mason等[29]研究了AA7050高強(qiáng)度鋁合金增材后的力學(xué)性能，與AA7050-T7651進(jìn)給材料相比，其極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均下降，分析認(rèn)為造成力學(xué)性能下降的原因是在AFSD過程中，重復(fù)的熱循環(huán)作用導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)過時(shí)效，造成強(qiáng)化析出物的過度長大，從而引起材料軟化，并在斷裂面處觀察到韌窩，表明拉伸斷裂為韌性斷裂。

Anderson-Wedge等[30]分析了AA2219鋁合金AFSD過程中的力學(xué)性能變化，研究表明AFSD-2219鋁合金材料與AA2219-T87材料相比，其極限抗拉強(qiáng)度降低約50%，屈服應(yīng)力降低75%，斷裂伸長率增加170%，通過微觀觀察發(fā)現(xiàn)在AFSD-2219材料中缺少了Al2Cu強(qiáng)化相，AFSD過程中的摩擦熱和塑性變形熱導(dǎo)致Al2Cu強(qiáng)化相溶解，并且隨著增材層堆積高度的增加，增材結(jié)構(gòu)件經(jīng)歷的熱循環(huán)更長，材料極限抗拉強(qiáng)度更小。疲勞分析表明AFSD-2219鋁合金材料的累積損傷率低于AA2219-T87材料，但AFSD-2219鋁合金材料在低應(yīng)變幅度下會發(fā)生損傷累積，材料的早期損傷最終導(dǎo)致AFSD-2219鋁合金材料的疲勞壽命低于2219-T87鋁合金材料。Avery等[31]在AA7075鋁合金的AFSD過程中也證實(shí)了該發(fā)現(xiàn)，研究表明對于沉積態(tài)材料，從低應(yīng)變幅度下可以清楚地看到失效循環(huán)次數(shù)的減少，在高應(yīng)變幅度下，沉積態(tài)材料與AA7075-T651材料的疲勞結(jié)果一致，說明在低應(yīng)變幅度下類似的裂紋形核和擴(kuò)展機(jī)制。疲勞抗力的整體降低歸因于沉積態(tài)AA7075的機(jī)械強(qiáng)度降低，這是由于微觀結(jié)構(gòu)中不連續(xù)的析出物過度生長所致。

國內(nèi)楊新歧教授團(tuán)隊(duì)研究了主軸轉(zhuǎn)速對增材件微觀組織和力學(xué)性能的影響[47]，分別在主軸轉(zhuǎn)速為600 r·min-1和800 r·min-1的工藝條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明兩種轉(zhuǎn)速制備的增材試樣表面成形良好，內(nèi)部完全致密無孔洞、裂紋及未熔合等缺陷，增材摩擦界面達(dá)到良好冶金結(jié)合。但低轉(zhuǎn)速有利于工具軸肩施加摩擦擠壓與剪切變形作用，塑化金屬流動更充分，沉積層更寬，表面成形也更光滑；并且低轉(zhuǎn)速下，動態(tài)再結(jié)晶程度更大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化相溶解導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度、硬度、屈服強(qiáng)度明顯下降，塑性變形能力提高。關(guān)于該技術(shù)的研究，國內(nèi)起步較晚，相關(guān)研究成果較少，目前正處于高速發(fā)展階段。

上述研究均表明，AFSD過程中材料力學(xué)性能下降，其主要原因是進(jìn)給材料均為經(jīng)固溶強(qiáng)化和時(shí)效處理后的熱處理合金，其強(qiáng)度硬度較高，在AFSD過程中產(chǎn)生的摩擦熱量和塑性變形熱量雖然未達(dá)到材料的熔點(diǎn)，但達(dá)到了相變轉(zhuǎn)化溫度，強(qiáng)化相溶解導(dǎo)致材料強(qiáng)度硬度均下降，因此AFSD后的材料不能直接用于工程實(shí)際，需進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。Beck等[48]研究了AFSD鋁合金經(jīng)固溶強(qiáng)化和人工時(shí)效處理后其力學(xué)性能的變化，實(shí)驗(yàn)表明AFSD鋁合金經(jīng)固溶強(qiáng)化和人工時(shí)效處理后，其極限抗拉強(qiáng)度提高58%，并且與熱處理強(qiáng)化鋁合金相比其屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度提高了8%和6%。這歸因于異常晶粒長大和β″強(qiáng)化相的析出，提高了強(qiáng)度和硬度，產(chǎn)生了峰值時(shí)效作用。

3 應(yīng)用前景

AFSD技術(shù)與其他基于熔覆的增材技術(shù)相比，能夠制造出完全致密、各向同性的金屬零件，尤其適用于鋁合金材料的增材制造。如7075鋁合金采用粉末床融合技術(shù)、直接能量沉積技術(shù)、激光選區(qū)熔融技術(shù)制造均不可避免地會產(chǎn)生孔隙和熱裂紋[5,49-50]，而AFSD技術(shù)用于制造鋁合金結(jié)構(gòu)件，通過動態(tài)再結(jié)晶形成了細(xì)小的等軸晶粒，其力學(xué)性能雖低于熱處理強(qiáng)化鋁合金，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鑄造鋁合金和熔覆增材技術(shù)制造的鋁合金，并且經(jīng)過簡單固溶強(qiáng)化和時(shí)效處理后，其力學(xué)性能高于熱處理強(qiáng)化鋁合金，能夠很好地應(yīng)用于汽車制造、軌道交通、航空航天等對零件有輕量化要求的領(lǐng)域，圖6為MELD公司運(yùn)用AFSD技術(shù)制造的鋁合金結(jié)構(gòu)件。

美國MELD公司已研究了運(yùn)用該技術(shù)對戰(zhàn)斗機(jī)下方導(dǎo)彈發(fā)射滑軌的修復(fù)[17]，如圖6所示，由于導(dǎo)彈發(fā)射滑軌材料為7075鋁合金，焊接性能差，采用其他修復(fù)方法均會產(chǎn)生未熔合缺陷，但采用該技術(shù)，修復(fù)材料能夠與滑軌磨損部位產(chǎn)生很好的冶金結(jié)合。AFSD技術(shù)也可用于零件修復(fù)領(lǐng)域。文獻(xiàn)[32，39]分別公開了運(yùn)用AFSD技術(shù)對6061和7050板材上孔洞和凹槽的修復(fù)，修復(fù)過程如圖6所示，微觀分析修復(fù)質(zhì)量良好。另外，由于該技術(shù)為固相增材，不需要保護(hù)氣氛，對環(huán)境要求較低，因此可用于野外、水下等惡劣極端環(huán)境下對零件的修復(fù)，MELD公司對外宣稱可用于對戰(zhàn)斗中的戰(zhàn)損車輛、潛艇進(jìn)行實(shí)時(shí)修復(fù)，目前該技術(shù)已經(jīng)受到了美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的關(guān)注。

圖6 AFSD技術(shù)制造的零件及部分應(yīng)用領(lǐng)域[17,32,39,51]Fig.6 Manufacturing components by AFSD and application of AFSD[17,32,39,51]

該技術(shù)的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是用于制造大尺寸薄壁零件的加強(qiáng)筋或肋板。一些大尺寸零件的加強(qiáng)筋或者肋板不易通過鑄造成型，AFSD技術(shù)提供了一種新的加工工藝過程，可通過先鑄造主體結(jié)構(gòu)，再通過AFSD技術(shù)添加加強(qiáng)筋的方式簡化鑄造工藝的復(fù)雜性，縮短加工工期，如圖6所示，MELD公司采用AFSD技術(shù)對大尺寸鋁合金薄壁件添加加強(qiáng)筋[51]。

AFSD技術(shù)還可用于制造金屬涂層。冷噴涂和熱噴涂前均需要進(jìn)行表面處理，并伴隨有多孔和粘接問題[52-56]，而AFSD技術(shù)類似于摩擦堆焊涂覆，是一種固相涂覆技術(shù)，但是又不會產(chǎn)生摩擦堆焊中棒材的冗余飛邊[57]，并且AFSD技術(shù)可通過快速更換棒料實(shí)現(xiàn)連續(xù)涂覆，不會因棒材消耗結(jié)束而導(dǎo)致涂覆層斷層。Hartley等[58]在1.4 mm厚的鋁合金板材上進(jìn)行涂層，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)形成了無表面或界面缺陷的優(yōu)質(zhì)熔覆層，并且通過三點(diǎn)彎曲測試，未發(fā)現(xiàn)明顯界面分層，說明板材和涂層形成良好冶金結(jié)合。

4 結(jié)束語

AFSD技術(shù)作為攪拌摩擦焊接和摩擦堆焊技術(shù)的變體技術(shù)，極具發(fā)展?jié)摿?，基于其固相特征，與熔覆增材技術(shù)相比，對制造環(huán)境要求低、不產(chǎn)生污染氣體、增材效率高、無熔化凝固固有缺陷、同時(shí)具有特殊的微觀組織演變特性，有望代替熔覆增材技術(shù)成為金屬增材制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，在汽車制造、航空航天、軌道交通、戰(zhàn)時(shí)武器裝備的修復(fù)和持續(xù)快速補(bǔ)充等場景下具有巨大的應(yīng)用拓展?jié)摿?，并且對于生產(chǎn)原料和能源的高效利用，以及節(jié)能減排等都具有重要價(jià)值[59-60]。

在微觀機(jī)理方面，溫度場、材料流動行為等還須深入研究。在增材原料方面，使用高熔點(diǎn)材料、復(fù)合材料、非金屬材料的AFSD技術(shù)具有廣闊的研究前景。在增材設(shè)備方面，開發(fā)具有增減材一體功能的智能化，集成化設(shè)備，或以粉材絲材為增材原料的設(shè)備是未來的發(fā)展趨勢。

目前國內(nèi)外學(xué)者已初步研究了鋁合金、銅合金、鈦合金、鎳基合金等材料AFSD制造后的微觀組織演變、材料流動機(jī)制和力學(xué)性能變化，但仍處于初步探索階段，為了將該技術(shù)盡快應(yīng)用于工程實(shí)際，亟須在以下方面展開系統(tǒng)化研究：

(1)AFSD是典型的熱機(jī)耦合過程，增材過程中包括熱產(chǎn)生、熱傳導(dǎo)、熱對流，熱量分布直接影響構(gòu)件的微觀組織演變和力學(xué)性能；深入研究AFSD過程中熱量的形成和傳導(dǎo)機(jī)制，揭示其溫度場分布規(guī)律，分析熱量變化對微觀組織演變、材料流動特性、表面成型質(zhì)量等的影響，可以為工藝優(yōu)化奠定重要理論基礎(chǔ)。

(2)目前在材料流動特性方面的研究還十分欠缺。材料的流動特性與成型質(zhì)量、力學(xué)性能、微觀缺陷的形成等密切相關(guān)；采用示蹤法、模擬仿真法等系統(tǒng)研究材料的流動特性，建立材料流動行為與刀具特征、溫度場分布、構(gòu)件力學(xué)性能等的相對關(guān)系，進(jìn)而通過預(yù)測和調(diào)控材料的流動行為是提高增材構(gòu)件綜合性能的有效途徑。

(3)目前AFSD技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)近凈成形，即增材制造后的零件還需二次加工，生產(chǎn)工序繁復(fù)，無法凈成形的原因在于其成形精度受限于增材材料和刀具的尺寸。通過研究凈成形或者增減材一體的加工工藝，可縮減工序、提高生產(chǎn)效率，這將是未來的重要研究方向。

(4)現(xiàn)有研究表明，在新層沉積時(shí)，會對鄰層及已沉積層產(chǎn)生熱影響，并且隨著堆積層的增高，會產(chǎn)生較大重復(fù)熱循環(huán)作用，造成零件過時(shí)效，最終引起微觀組織不均勻、零件性能各部分存在差異等缺陷。系統(tǒng)研究輔助冷卻、輔助熱隔絕工藝等對于提高零件力學(xué)性能和微觀組織均勻性具有重要意義。

(5)開展研究高熔點(diǎn)材料、復(fù)合材料、非金屬材料等的攪拌摩擦固相沉積增材制造可行性，使AFSD技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于各種材料，而不是只局限在輕質(zhì)合金材料領(lǐng)域。

(6)基于AFSD技術(shù)的固相特征，研究在微重力、水下、真空環(huán)境中該技術(shù)的應(yīng)用可行性，進(jìn)一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

(7)在設(shè)備研制方面，目前的設(shè)備所使用的增材材料均為金屬棒材，一方面在棒料和棒料的銜接處可能會出現(xiàn)結(jié)合缺陷，另一方面加工標(biāo)準(zhǔn)尺寸的棒材耗時(shí)耗力。研制以粉材和絲材為增材材料的設(shè)備是今后的發(fā)展趨勢；另外，不斷提高設(shè)備的自動化、集成化、智能化水平也是高端制造業(yè)的發(fā)展需求。