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北工大增材頂刊《AM》：實現強冶金結合！滾動摩擦增材制造高性能鋁合金

2022-06-15 14:17:58 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：摩擦滾動增材制造（FRAM）是一種新興的固態增材制造技術，適用于使用基于融合的增材制造方法容易產生凝固缺陷的高強度鋁合金。然而，FRAM中間層之間良好粘合的機制仍不清楚。本研究發現。首先，材料塑性流動和宏觀遷移行為在夾層沿縱向和橫向同時發生，形成宏觀機械互鎖的非平面界面。刀頭上的凸螺紋增加了橫向的材料流動，有利于相鄰層的材料混合。其次，嚴重的塑性變形導致界面兩側的晶粒顯著細化。？AA2319和AA6061側邊的平均晶粒度降低率分別為98.3%和95.9%。直接接觸，沒有明顯的氧化物，冶金界面結合完全。這些發現有助于闡明FRAM的基本物理過程，并為工藝參數優化提供指導

高強鋁合金具有密度低、比強度和比模量高、斷裂韌性好、疲勞強度高、耐腐蝕性好等特點，適用于航空航天和國防工業。然而，傳統的以熔合為基礎的增材制造（AM）方法，涉及到材料-熔化-凝固，通過形成粗晶、裂紋和氣孔，極大地惡化了這些合金的力學性能。因此，近年來發展了基于摩擦的固態增材制造方法，如攪拌摩擦增材制造（FSAM）、攪拌摩擦沉積增材制造（AFSD）和摩擦堆焊（FS）等，它們在高強度鋁合金中具有顯著的發展潛力和前景。這些方法起源于摩擦攪拌焊接（FSW），通過摩擦產生熱量，并通過嚴重的塑性變形實現層間粘接。然而，FSAM-nor-FS方法都不能實現連續的材料添加，以及AFSD昂貴的要求和定制設備；使得后一種方法不適合使用。最近，作者團隊[開發了一種新型的低成本固態方法，稱為摩擦滾動增材制造（FRAM）。該方法通過快速旋轉的工具頭產生熱量，同時實現連續加料。由于固態加工的固有特性，材料在FSAM過程中不熔化，避免了制造中的凝固缺陷，即所謂的“不可焊”高強度鋁合金。

在大多數固態制造工藝中，相鄰層之間的結合質量：取決于這些層的塑性變形和材料流動行為，以及界面處的冶金結合。在嚴重的塑性變形過程（如FSW）中，材料的流動行為是由刀具/工件界面處的熱-機械相互作用造成的。在我們之前的研究中，我們對fram 生產的6061鋁合金的顯微組織和抗拉強度做了初步的評估。結果表明，成功地獲得了無缺陷、晶粒細化的全致密組織。與攪拌攪拌區材料受到周圍冷金屬的限制不同，FRAM 中的流動環境要復雜得多，因為進料是不斷地送到攪拌區。在FRAM 中如此復雜的熱-力學條件下，材料在相鄰層界面處的流動和界面結合行為可能與FSw有明顯的不同，然而，由于每一層都是用相同的材料（6061鋁合金）沉積的，相鄰層之間的界面無法被區分，fram產生的部分的相鄰層發生的基本物理機制，特別是為什么可以實現層間結合的原因仍然不清楚，這對于掌握固態FRAM方法的本質至關重要。

在本文中，北京工業大學Haibin Liu教授團隊首次揭示了FRAM過程中的材料流動行為和層間鍵合機制。我們采用2319鋁合金焊絲作為示蹤材料，AA6061作為基底，因為混合鋁合金可以很容易地區分彼此。利用三維x射線計算機斷層掃描（CT）研究了夾層的三維形貌，從宏觀上揭示了夾層材料混合和材料流動行為的基本原理。隨后，利用電子背散射衍射（EBSD）和透射電鏡（TEM）研究界面附近的微觀結構，以闡明微觀層面的層間鍵合行為。最后，通過力學性能測試進一步驗證了雜化材料的結合質量，本文獲得的研究結果將有助于了解FRAM 的基本物理過程，并為今后的工藝參數優化和刀頭設計提供指導。本研究以“Revealing the bonding mechanisms between deposit and substrate of the friction rolling additive manufactured hybrid aluminum alloys”為題發表在Additive Manufacturing上

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860422003384