工藝參數(shù)對鋁合金攪拌摩擦增材制造成形的影響

王忻凱，邢 麗，徐衛(wèi)平，黃春平，劉奮成

(南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國防 重點學(xué)科實驗室，南昌 330063)

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工藝參數(shù)對鋁合金攪拌摩擦增材制造成形的影響

王忻凱，邢 麗，徐衛(wèi)平，黃春平，劉奮成

(南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國防 重點學(xué)科實驗室，南昌 330063)

采用4mm厚的5A03-H鋁合金板材作為基材，利用無傾角成形工具，進行攪拌摩擦增材制造工藝實驗，研究工藝參數(shù)對增材區(qū)成形的影響。結(jié)果表明：隨著行進速度提高，單道增材寬度、界面遷移高度和遷移寬度值均減小。當(dāng)行進速度為60mm/min時，界面遷移量較小，單道增材寬度較大。增材間距大時，會有兩道次間的未結(jié)合界面和遷移界面缺陷；隨間距減小，未結(jié)合界面逐漸轉(zhuǎn)變成遷移界面；當(dāng)間距達到某個值時，遷移界面消失。為了得到成形良好的增材區(qū)，必須優(yōu)化增材加工的間距。逆向增材與同向增材相比，能有效地抑制并消除向增材區(qū)中心遷移的界面，因此可獲得較大的有效增材寬度。

攪拌摩擦增材制造；鋁合金；工藝參數(shù)；界面遷移

增材制造技術(shù)自20世紀90年代以來得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)成為全世界制造業(yè)研究的熱點，一些基于增材制造理念開發(fā)的新技術(shù)已在航空航天、軍工、能源等領(lǐng)域中獲得了應(yīng)用。

美國Sandia國家實驗室的Griffith研究組提出以激光熔覆沉積成形為基礎(chǔ)的激光凈成形技術(shù)[1-3]，并將該技術(shù)用于修復(fù)渦輪發(fā)動機的零部件。美國的Calcam公司[4]采用電子束熔化成形技術(shù)制造出力學(xué)性能優(yōu)于鍛件的Ti6Al4V 葉輪部件。這些利用高能束流進行增材制造的方法應(yīng)用在鈦合金、高溫合金、不銹鋼等材料上，但是在鋁合金等具有較高熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)的材料上卻未獲得多大進展。

與其他增材制造技術(shù)相比，基于固相連接的攪拌摩擦焊技術(shù)的增材制造在鋁、鎂等輕合金[5]中的應(yīng)用具有較大優(yōu)勢：它不存在金屬的融合和凝固，不會出現(xiàn)冶金缺陷[6,7]，再結(jié)晶晶粒尺寸細小，有利于成型件的綜合力學(xué)性能[8,9]。采用攪拌摩擦焊技術(shù)進行增材制造(Friction Stir Additive Manufacturing，F(xiàn)SAM)，實際上是利用攪拌摩擦焊搭接技術(shù)實現(xiàn)多層增材。國內(nèi)外對于攪拌摩擦搭接焊的研究有很多?？吕杳鞯萚10]研究了雙道焊搭接界面的遷移行為，認為不同攪拌針螺紋旋向不同，界面遷移方向不同。邢麗等[11]研究了不同形狀攪拌針對搭接接頭界面遷移的影響。

本工作采用無傾角成形工具，進行鋁合金攪拌摩擦增材制造實驗，研究工藝參數(shù)對攪拌摩擦增材成形的影響，包括進給速度、水平增材間距和增材方向等。

1 實驗

選用4mm厚5A03-H鋁合金板材作為基材，在專用多軸聯(lián)動攪拌摩擦焊機上，用自制夾具進行增材實驗，成形工具為圓錐形左螺紋的攪拌針，攪拌針長度為5mm，根部直徑為6mm，圓錐角為11°，軸肩直徑為20mm。將兩層基板疊加在一起，采用順時針的旋轉(zhuǎn)方向進行多道次增材加工。成形工具旋轉(zhuǎn)速度為600r/min，軸肩下壓量為0.3mm。

圖1 攪拌摩擦增材制造增材區(qū)及界面示意圖Fig.1 Schematic of FSAM zone and interface

圖1為增材實驗示意圖。定義經(jīng)過攪拌摩擦作用形成的攪拌區(qū)域為增材區(qū)(Friction Stir Additive Manufacturing zone， FSAM zone)。單道增材時，前進邊(Advancing Side, AS)界面到返回邊(Retreating Side, RS)界面的水平間距為單道增材寬度，用Wa表示；多道增材時，前進邊界面到返回邊界面的水平間距為有效增材寬度，用W表示。遷移界面最高點與原始界面線間的距離為界面遷移高度，用H表示；遷移界面終止點與遷移界面起始點的距離為界面遷移寬度，用D表示。第一道次加工獲得的增材區(qū)為增材區(qū)Ⅰ；最后加工道次得到的增材區(qū)為增材區(qū)Ⅱ。遷移界面切線與水平方向的夾角為界面遷移角，增材區(qū)Ⅰ和增材區(qū)Ⅱ的界面遷移角分別用α,β表示。水平方向兩相鄰道中心間距為增材間距，用L表示。表1為實驗中采用的增材間距和方向。

表1 各道次增材間距與加工方向

Note:S indicates the same direction and D indicates the reverse direction.

沿垂直于增材加工方向截取并制備增材實驗的金相試樣，采用 10%NaOH 溶液進行腐蝕。觀察行進速度、增材間距和增材方向?qū)υ霾膮^(qū)形貌和界面形態(tài)的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 行進速度對增材區(qū)成形的影響

圖2為不同行進速度下增材區(qū)及界面形貌。圖中點劃線表示攪拌針中心的位置。由圖2可見，隨著行進速度的提高增材區(qū)逐漸減小。前進邊與返回邊的界面形態(tài)存在差異，前進側(cè)界面遠離增材區(qū)，而返回邊界面在向上遷移的過程中向增材區(qū)中心延伸，有可能影響增材區(qū)的成形，故本工作只對返回邊的遷移界面進行分析。

圖2 不同行進速度下增材區(qū)及其界面形貌 (a)v=30mm/min; (b)v=40mm/min;(c)v=50mm/min;(d)v=60mm/minFig.2 Cross-section morphology of FSAM zone and the interface at different traveling speed (a)v=30mm/min; (b)v=40mm/min;(c)v=50mm/min;(d)v=60mm/min

圖3為返回邊的界面遷移高度與行進速度的關(guān)系曲線。可知，隨著行進速度的提高，返回邊界面遷移高度逐漸減小，遷移寬度也逐漸減小。圖4為增材寬度與行進速度的關(guān)系曲線。可以看出，隨著行進速度的提高，單道增材寬度值Wa逐漸減小，當(dāng)行進速度為60mm/min時，Wa趨于穩(wěn)定。

圖3 行進速度與界面遷移高度、寬度的關(guān)系Fig.3 Relationship between traveling speed and H,D

圖4 行進速度與單道增材寬度的關(guān)系Fig.4 Relationship between traveling speed and Wa

界面遷移高度和遷移寬度出現(xiàn)下降趨勢的原因：一方面，隨著行進速度的提高，單位時間內(nèi)螺紋向下驅(qū)動的塑性金屬量減少，攪拌針上的螺紋對返回邊的塑性金屬做功減小，向上循環(huán)的塑性金屬量也隨之減少，界面遷移高度減小；另一方面， 行進速度的提高導(dǎo)致單位時間內(nèi)軸肩熱輸入量的減小，從而使熱塑性金屬減少，塑性狀態(tài)下降，同時，行進速度的提高還導(dǎo)致攪拌針對返回邊塑性金屬驅(qū)動能力的下降，能夠在塑性金屬的驅(qū)動下發(fā)生形變的界面長度減小，導(dǎo)致界面遷移寬度的減小。Seidel等[12]、Cederqvist等[13]在研究攪拌摩擦焊焊縫金屬的塑性流動時發(fā)現(xiàn)，n/v比值增大，焊縫金屬在厚度方向上遷移的距離增大，他們認為這是由于焊縫金屬的溫度升高所致。由圖4可知，隨著行進速度提高，單道增材寬度逐漸減小。出現(xiàn)這種規(guī)律的原因：行進速度的提高，導(dǎo)致瞬時熱輸入量的降低，進而減少了可進行有效循環(huán)的塑性金屬量，界面遷移寬度減小。圓錐形攪拌頭對塑性金屬有較大的斜向下的驅(qū)動力。在某些工藝參數(shù)下，界面向上遷移明顯。界面遷移越明顯對增材越不利。

行進速度為60mm/min時，單道增材寬度值較穩(wěn)定，增材區(qū)形態(tài)對稱，界面遷移高度、寬度值較低。綜合考慮增材速度和增材寬度，選用旋轉(zhuǎn)速度為600r/min，行進速度60mm/min，形成的單道增材寬度為5.0mm。

2.2 增材間距對增材區(qū)成形的影響

圖5為不同增材間距條件下的增材區(qū)截面形貌。虛線部分表示增材區(qū)。由圖5可見，同向增材加工，增材間距為10mm時， 1，2道次組成的增材區(qū)中有未結(jié)合缺陷，即兩增材區(qū)域間存在基材和原始界面，如圖5中A處所示；增材間距為8mm時，2，3道次組成的增材區(qū)中基材的原始界面消失，但有向增材區(qū)中心遷移的界面，如圖5中B所示；增材間距為6mm時，3，4道次組成的增材區(qū)中有遷移的基材，如圖5中C所示，由于C處的基材已達到完全塑化，因此3，4道次之間無遷移界面和未結(jié)合缺陷。逆向增材加工，增材間距為6mm時，4,5道次組成的增材區(qū)中有基材的原始界面和向增材區(qū)中心遷移的界面，如圖5中D所示。

圖5 不同增材間距下增材區(qū)截面形貌Fig.5 Cross-section morphology of FSAM zone in different space

實驗結(jié)果表明：進行增材加工，間距大時會有未結(jié)合界面缺陷；間距小時，未結(jié)合界面消失，出現(xiàn)兩道次間的遷移界面；之后隨間距減小，遷移界面消失。為了得到成形良好的增材區(qū)，必須優(yōu)化增材加工的間距。

2.3 增材方向?qū)υ霾膮^(qū)成形的影響

圖6為不同增材加工方向的增材區(qū)截面形貌。圖中點劃線為增材區(qū)中心線。圖6(a)為同向增材時增材區(qū)截面形貌，可以看出，此時第一道次的前進側(cè)遷移界面遠離增材區(qū)Ⅰ的中心，界面遷移角度α<90°；而第二道次的返回側(cè)遷移界面向增材區(qū)Ⅱ的中心延伸，界面遷移角度β>90°。兩道次增材區(qū)間無基材的原始界面和遷移界面，有效增材寬度W為7.4mm。圖6(b)為逆向增材時增材區(qū)截面形貌，可見，第一道次遷移界面的遷移角度α<90°；而第二道次的遷移界面遷移角度β<90°。兩道次增材區(qū)間結(jié)合良好，有效增材寬度W為10.7mm。實驗結(jié)果表明，同向增材時，由于遷移角α<90°,β>90°，逆向增材時，遷移角α<90°，β<90°，因此，逆向增材較同向增材相比，能夠得到更大的有效增材寬度。

圖6 不同增材加工方向的增材區(qū)截面形貌 (a)同向增材；(b)逆向增材Fig.6 Cross-section morphology of FSAM zone in different process directions (a)same direction;(b)reverse direction

圖7 不同增材加工方向塑化金屬流動狀態(tài)示意圖 (a)同向增材；(b)逆向增材Fig.7 Schematics for flow state of plasticized material in different process directions by FSAM (a)same direction;(b)reverse direction

綜上所述，逆向增材與同向增材相比，能有效地控制界面遷移，而且可獲得更大的有效增材寬度。

3 結(jié)論

(1)單道增材寬度隨著行進速度的提高而減??；界面遷移高度、寬度隨著行進速度的提高也呈逐漸減小的規(guī)律。當(dāng)行進速度為60mm/min時，界面遷移量較小，單道增材寬度較大。

(2)增材間距大時，會有兩道次間的未結(jié)合界面和遷移界面缺陷；隨間距減小，未結(jié)合界面逐漸轉(zhuǎn)變成遷移界面；當(dāng)間距達到某個值時，遷移界面消失。為了得到成形良好的增材區(qū)，必須優(yōu)化增材加工的間距。

(3)逆向增材與同向增材相比，能有效地抑制并消除向增材區(qū)中心遷移的界面，因此可獲得較大的有效增材寬度。

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Influence of Process Parameters on Formation of FrictionStir Additive Manufacturing on Aluminum Alloy

WANG Xin-kai,XING Li,XU Wei-ping,HUANG Chun-ping,LIU Fen-cheng

(National Defense Key Disciplines Laboratory of Light Alloy Processing Science and Technology,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China)

The friction stir additive manufacturing (FSAM) process experiment was conducted by using the zero tilt angle forming tool with 4mm thickness plates of Al alloy 5A03-H. The influence of the process parameters on the formation of FSAM zone was investigated. The results show that as the traveling speed increases, the width of single pass as well as the migration height and width of interface all decrease. When the traveling speed is 60mm/min, migration of interface is small and the width of single pass is bigger. When the FSAM space is big, there are uncombined interface and migration interface defects between two adjacent passes. As the space decreases, uncombined interface gradually transforms into migration interface. When the FSAM space reaches a definite value, migration interface disappears. In order to achieve excellent FSAM zone, the FSAM space must be optimized. Compared with the same direction FSAM, the reverse direction FSAM can effectively restrain and eliminate the interface migrating to the center of FSAM zone, thus, the more effective width of FSAM zone can be obtained.

friction stir additive manufacturing;Al alloy;process parameter;interface migration

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.05.002

TG146.2+1;TG456

A

1001-4381(2015)05-0008-05

國家自然科學(xué)基金(51364037,51465044)；江西省高等學(xué)校科技落地計劃項目(KJLD12074，KJLD13055)；航空科學(xué)基金(20140956003)

2014-12-16；

2015-03-19

邢麗(1959-)，女，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：焊接冶金、焊接力學(xué)、電弧焊工藝和攪拌摩擦焊技術(shù)，聯(lián)系地址：江西省南昌市豐和南大道696號南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院(330063)，E-mail: xingli_59@126.com