6061鋁合金先進(jìn)摩擦增材制造（AFAM ）復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理控性試驗(yàn)的研究

東青，李衛(wèi)東，楊濱，田永超，范彤利，吳濤平

（1、先進(jìn)技術(shù)與創(chuàng)新研究所（ATII），第四大街331號(hào) 柯克蘭WA 98033 2、西飛鋁業(yè)集團(tuán)公司，西安710089中國3、北京科技大學(xué)國家新金屬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083 4、武漢康來特重工機(jī)械公司）

引言

AFAM方法[1]是由ATII提出的一種新型增材制造技術(shù)，它利用了擠壓摩擦熱可迅速使合金軟化的物理特性，是在合金半固狀態(tài)下完成增材制造的新方法。綜合研究分析國外發(fā)明的半固態(tài)焊接/加工/增材技術(shù)表明擠壓摩擦熱源是不可多得的清潔高效能源，它具有廣泛地工業(yè)基礎(chǔ)，焊接/增材加工零件質(zhì)量好、效率高、價(jià)格低廉、沒有環(huán)境污染、適用材料體系寬。AFAM相關(guān)技術(shù)包括攪拌摩擦焊（FSW）、攪拌摩擦加工（FSP）、增材摩擦攪拌（AFS）和攪拌摩擦增材制造（FSAM），國內(nèi)外專家首先從FSW焊核等軸細(xì)晶材料性能研究起，開始探索攪拌摩擦焊應(yīng)用于增材制造的可能性[5]，首先在不可熱處理強(qiáng)化輕合金獲得突破得到了常規(guī)工藝所達(dá)不到的性能[5]，AFAM技術(shù)所提出的（細(xì)晶+熱處理+變形）復(fù)合強(qiáng)化模型將摩擦增材合金類型拓展到了熱處理可強(qiáng)化輕合金，本研究以常見可熱處理強(qiáng)化鋁合金6061為例進(jìn)行了工程樣件驗(yàn)證，其結(jié)果超出了國家標(biāo)準(zhǔn)所列出的性能要求，AFAM在結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新為機(jī)床行業(yè)往高端增材制造轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了技術(shù)通道，也為半固態(tài)新型增制造前沿技術(shù)的研究和工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，因此AFAM具有光明的發(fā)展前景。

1 AFAM相關(guān)技術(shù)綜述

1.1 攪拌摩擦焊FSW[2]

攪拌摩擦焊（FrictionStir Welding簡稱FSW）是英國焊接研究所（TWI）于1991年10月提出的發(fā)明專利。攪拌摩擦焊工藝最初主要用于解決鋁合金等低熔點(diǎn)材料的焊接，關(guān)于攪拌摩擦焊工藝的特點(diǎn)和應(yīng)用等，TWI進(jìn)行了較多的研究，并于1993年、1995年分別申請(qǐng)了專利。TWI主要是與航空航天、海洋、道路交通、鋁材廠、焊接設(shè)備制造廠等大公司聯(lián)合，以團(tuán)體贊助或合作的形式開發(fā)這種技術(shù)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。美國的愛迪生焊接研究所（Edisonwelding Institute，簡稱EWI）與TWI密切協(xié)作，也在進(jìn)行FSW工藝的研究。美田的美國洛克希德·馬丁航空航天公司、馬歇爾航天飛行中心、美國海軍研究所、Dartmouth大學(xué)、德克薩斯大學(xué)、阿肯色斯大學(xué)、南卡羅利納大學(xué)、德國的Stuttgart大學(xué)、澳大利亞的Adelaide大學(xué)、澳大利亞焊接研究所等都從不同角度對(duì)攪拌摩擦焊進(jìn)行了專門研究。

攪拌摩擦焊是利用工件與工具端面相互運(yùn)動(dòng)、相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使端部達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種方法。它可以方便地連接同種或異種材料，包括金屬、部分金屬基復(fù)合材料、陶瓷及塑料。攪拌摩擦焊工藝是自激光焊接問世以來最引人注目的焊接方法。它的出現(xiàn)使鋁合金等有色金屬的連接技術(shù)發(fā)生了重大變革，用攪拌摩擦焊方法焊接鋁合金取得了很好的效果?，F(xiàn)如今在英、美等國正進(jìn)行鋅、銅、鈦、低碳鋼、復(fù)合材料等的攪拌摩擦焊接。攪拌摩擦焊在航空航天工業(yè)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，攪拌摩擦過程中界面原子的運(yùn)動(dòng)仍處于研究階段。關(guān)橋院士首先注意到這種技術(shù)并引進(jìn)到中國，將FSW定義為廣義增材制造方法[3]，指明了FSW焊接界摩擦增材的發(fā)展方向。

1.2 攪拌摩擦增材制造FSAM

將增材制造與FSW機(jī)理聯(lián)系起來的攪拌摩擦增材FSAM技術(shù)發(fā)起源于美國，F(xiàn)SW焊核的鍛壓細(xì)晶組織（細(xì)等軸晶）優(yōu)良材料性能首先引起焊接和材料學(xué)家的注意。美國北德薩斯大學(xué)材料工程系教授Mishra等人率先對(duì)不可熱處理強(qiáng)化鋁合金AA5083和Mg-4Y-3Nd等合金進(jìn)行FSW純核細(xì)晶組織進(jìn)行了材料性能研究[5]，隨著研究的深入該團(tuán)隊(duì)率先將FSW焊接與增材制造聯(lián)系起來，命名為FSAM（Friction Stir Additive Manufacturing，攪拌摩擦增材制造），這是一個(gè)全新理念固相連接的增材制造技術(shù)，它利用現(xiàn)有輕合金熱軋材料，逐層靜態(tài)夾具固定裝夾后利用多道平行FSW焊縫將上下兩層材料焊合，如此反復(fù)堆焊成材料實(shí)驗(yàn)樣件，研究結(jié)果表明“純核鍛壓細(xì)晶組織”強(qiáng)度等性能優(yōu)于母材[6]。Mishra教授敏銳地認(rèn)識(shí)并預(yù)言到：FSW是清潔、綠色環(huán)境友好的熱源，必將成為新一代增材制造核心技術(shù)。

國內(nèi)南昌航空大學(xué)柯黎明教授團(tuán)隊(duì)在長期研究FSW焊接的基礎(chǔ)上，首先將FSAM的理念引入中國，在FSW焊接和FSAM增材制造領(lǐng)域做了多種深入有益的研究和探索，其中《搭接量對(duì) LY12 鋁合金攪拌摩擦增材制造成形的影響》[6]獲得了國家自然科學(xué)基金和江西省自然科學(xué)基金的支持。該團(tuán)隊(duì)已成功焊接對(duì)疲勞強(qiáng)要求苛刻的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，完成了國家和江西省攪拌摩擦增材制造自然科學(xué)基金項(xiàng)目的研究，“IMC/Al功能梯度復(fù)合材料的攪拌摩擦增材制造、形成機(jī)理及力學(xué)行為（NO.51465044）”，江西省高等學(xué)?？萍悸涞赜?jì)劃“鋁合金攪拌摩擦增材制造技術(shù)基礎(chǔ)研究（KJLD12074）”和2016年 完成的“基于靜軸肩攪拌摩擦焊的增材制造技術(shù)的研究”探索。中國航空系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院的劉海濱總工團(tuán)隊(duì)，在國內(nèi)率先深入研究了攪拌摩擦增材制造的發(fā)展歷史，提出了國內(nèi)“摩擦攪拌增材制造發(fā)展?fàn)顩r及對(duì)策建議”和“AFAM控制系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)研究方案”，為AFAM下一代自動(dòng)控制數(shù)字機(jī)提供了可行的解決方案。

1.3 日本MAZAK 增減材復(fù)合加工中心[7]

日本MAZAK公司將FSAM的理念與機(jī)械產(chǎn)品結(jié)合，2014年就推出了FSW增減材復(fù)合加工中心，將攪拌摩擦矩陣焊接理念發(fā)揮到極致，但在2017年7月國際機(jī)床展上，還沒有看到其提出的將材料摩擦到塑性軟化達(dá)到任意堆型的目標(biāo)。

1.4 攪拌摩擦處理FSP[2]

與FSW幾乎并列發(fā)展的還有技術(shù)是攪拌摩擦處理FSP，它利用FSW焊核細(xì)晶特性對(duì)零部件表面進(jìn)行再加工，獲得表面細(xì)晶組織實(shí)現(xiàn)零件的表面改性。

1.5 增材摩擦攪拌制造AFS[9]

美國學(xué)者R.S. MISHRA教授已經(jīng)注意到了FSAM的局限性，包括固定裝夾夾具、工具頭磨損、增材制造內(nèi)應(yīng)力和堆型的任意性，指出先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)可以解決這些問題并有意尋找潛在的合作伙伴[6]。Jacob Rollie Calvert在WE43鎂合金摩擦增材制造研究上，2015年取得了攪拌增材工具頭中心送粉料模式的成功[9]，使得增材工具頭可以像攪拌工具頭運(yùn)動(dòng)模式一樣在加工平面中任意方向移動(dòng)，熱處理后材料性能結(jié)果比母材性能好，局限性是增材厚度較小0.7mm～，使得在主軸方向增加厚度比較困難，增材寬度受AFS工具頭的直徑限制較多。

2 鋁合金6061特性簡介

我國6061鋁合金是工業(yè)常用輕合金牌號(hào)，在有色金屬中屬于可熱金屬處理強(qiáng)化合金，具有良好的可成型性、焊接性和機(jī)械加工性能，它具有中等強(qiáng)度，在退火后仍能維持較好的操作性。其強(qiáng)度雖不能與2XXX系或7XXX系相比，但其鎂、硅合金含量較高，其特性表現(xiàn)在加工性能極佳、優(yōu)良的焊接特點(diǎn)及電鍍性、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形、材料致密無缺陷及易于拋光、上色膜容易、氧化效果極佳等優(yōu)良特點(diǎn)。除此之外，還具有相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)和很多研究者發(fā)表的關(guān)于6061性能的研究文章，方便于AFAM樣機(jī)性能對(duì)比。

鋁合金（含6061）典型用途包括裝飾、包裝、建筑、運(yùn)輸、電子、航空、航天、兵器等以下幾個(gè)方面：

（1）航空航天用鋁材用于制作飛機(jī)蒙皮、機(jī)身框架、大梁、旋翼、螺旋槳、油箱、壁板和起落架支柱，以及火箭鍛環(huán)、宇宙飛船壁板等；

（2）交通運(yùn)輸用鋁材用于汽車、地鐵車輛、鐵路客車、高速客車的車體結(jié)構(gòu)件材料，車門窗、貨架、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、空調(diào)器、散熱器、車身板、輪轂及艦艇用材；

（3）包裝用鋁材全鋁易拉罐制罐料主要以薄板與箔材的形式作為金屬包裝材料，制成罐、蓋、瓶、桶、包裝箔；

（4）印刷用鋁材主要用于制作PS版，鋁基PS版是印刷業(yè)的一種新型材料，用于自動(dòng)化制版和印刷；

（5）建筑裝飾用6061鋁材較廣泛，因其良好的抗蝕性、足夠的強(qiáng)度、優(yōu)良的工藝性能和焊接性能，主要廣泛用于建筑物構(gòu)架、門窗、吊頂、裝飾面等，如各種建筑門窗、幕墻用鋁型材、鋁幕墻板、壓型板、花紋板、彩色涂層鋁板等；

（6）電子家電用鋁材主要用于各種母線、架線、導(dǎo)體、電氣元件、冰箱、空調(diào)、電纜等領(lǐng)域。

6061鋁合金的主要合金元素是鎂與硅，表1是它的化學(xué)成分含量，其強(qiáng)化相由Mg2Si構(gòu)成，6061還含有一定量的錳與鉻，可以中和鐵的壞作用；有時(shí)還添加少量的銅或鋅，以提高合金的強(qiáng)度，而又不使其抗蝕性有明顯降低；導(dǎo)電材料中還有少量的銅，以抵銷鈦及鐵對(duì)導(dǎo)電性的不良影響；鋯或鈦能細(xì)化晶粒與控制再結(jié)晶組織；為了改善可切削性能，可加入鉛與鉍。在Mg2Si固溶于鋁中，使合金有人工時(shí)效硬化功能。6061鋁合金中的主要合金元素為鎂與硅，具有中等強(qiáng)度、良好的抗腐蝕性、可焊接性，氧化效果較好。

表1 GB/T 3190-1996 6061 化學(xué)成分表

圖1 AFAM側(cè)增模式示意圖（ATII版權(quán)所有）

圖2 一種可打直線樣件又可打圓弧樣件的AFAM裝置

3 先進(jìn)摩擦增材制造（AFAM）、AFAM復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制及6061微結(jié)構(gòu)分析

AFAM是一種新型擠壓摩擦半固態(tài)增材制造技術(shù)，它是屬于較底層的基礎(chǔ)類研究，應(yīng)用范圍較寬，其機(jī)理與FSW和FSAM非常類似，但AFAM技術(shù)同時(shí)集成了攪拌摩擦焊FSW與鍛壓的機(jī)理。它具有很多優(yōu)良特性，比如：可利用現(xiàn)有輕合金材料、材料牌號(hào)多[4]、價(jià)格便宜、材料體系寬、增材效率高、樣件質(zhì)量好、環(huán)境友好無污染等。AFAM突破了常規(guī)高能熱熔性增材技術(shù)的局限性，增材工作在半固態(tài)（0.8-0.9凝固）狀態(tài)下[8]，可有效規(guī)避高溫熔化增材凝固過程中所帶來的夾雜、高溫氧化、熱應(yīng)力和致密度等方面的問題。

AFAM借鑒了攪拌摩擦焊FSW、攪拌摩擦加工FSA、攪拌摩擦增材制造FSAM、增材攪拌摩擦AFS等相關(guān)技術(shù)的精髓，為了得到“純核細(xì)晶”組織先后研制了幾代單軸、雙軸（V）和三軸樣機(jī)，首先對(duì)稱雙軸FSAM（V）原始實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研制成功，在此平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行了FSW焊縫凸起、FSAM（V）機(jī)理驗(yàn)證、AFAM機(jī)理驗(yàn)證、純核算法、工業(yè)普適性、材料實(shí)驗(yàn)樣件增材制造等多項(xiàng)重要工業(yè)化預(yù)研實(shí)驗(yàn)。預(yù)研結(jié)果突破了FSAM適用材料和FSW結(jié)構(gòu)的局限性、也突破了外國專家認(rèn)定的FSAM只對(duì)非熱處理強(qiáng)化合金有效的假設(shè)，AFAM將先進(jìn)材料理論與摩擦增材制造試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，提出了構(gòu)造理想AFAM增材制造微環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則和（等軸細(xì)晶+形變+熱處理）復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制，本研究的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該模型的正確性。

AFAM發(fā)展至今，最新研究結(jié)果已徹底擺脫FSW攪拌針的束縛，形成了AFAM獨(dú)特高效、增材過程缺陷可控的側(cè)增（對(duì)應(yīng)立銑）和頂增（對(duì)應(yīng)臥銑）兩種AM模式。

AFAM側(cè)增結(jié)構(gòu)示意圖見圖1；一種可行的AFAM實(shí)驗(yàn)裝備見圖2（一種可打直線樣件又可打圓弧樣件的AFAM裝置），新型AFAM結(jié)構(gòu)工業(yè)驗(yàn)證成功為實(shí)現(xiàn)半固態(tài)增材制造技術(shù)的數(shù)字化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)；圖3顯示了6061AFAM樣件（拉伸實(shí)驗(yàn)前、后對(duì)比）。最近AFAM打印出來的樣件已經(jīng)可接近機(jī)床極限尺寸，該樣件的制作成功表明AFAM缺陷工藝控制水平趨于成熟，AFAM工藝成熟度已具備嘗試中大型樣件的能力；圖4為1200X26X28mm3大型AFAM樣件；圖5中6061顆粒料增材區(qū)與母材微結(jié)構(gòu)晶粒尺寸EBSD對(duì)比圖，由圖可明顯看出AFAM細(xì)晶效果，上面為母材晶粒尺寸下面位增材區(qū)晶粒尺寸，AFAM工藝可將增材晶粒尺寸控制在10u以下，在此細(xì)晶基礎(chǔ)上的變形加熱處理強(qiáng)化是真正的uncharted區(qū)，將為探索者在材料性能方面展現(xiàn)許多未知的精彩。

AFAM技術(shù)目前的局限性是當(dāng)增材材料為鎳基合金和鋼件時(shí)AFAM工具頭磨損較大，隨著高溫工具材料研究進(jìn)展和復(fù)合熱源加入，這種狀態(tài)將會(huì)逐步改變。

圖3 6061AFAM樣件（拉伸實(shí)驗(yàn)前、后對(duì)比）

圖4 1200 X 26 X 28mm3大型AFAM樣件

圖5 6061顆粒料增材區(qū)與母材微結(jié)構(gòu)晶粒尺寸EBSD對(duì)比圖

4 鋁合金6061AFAM樣件拉伸試驗(yàn)

4.1 檢測材料類型

增材制造6061鋁合金板材。

4.2 試樣厚度

試樣壁厚分別為3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm板材。

4.3 力學(xué)檢測試樣尺寸

按照GB/T 16865《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣及方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了拉伸試樣加工。加工試樣示意圖見圖5：

圖5 拉伸試樣加工尺寸圖

4.4 試樣熱處理過程

試樣加工完后，2～6號(hào)試樣按照540℃×40min的工藝在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了固溶熱處理，隨后按照175℃×8H的工藝進(jìn)行了人工時(shí)效，1號(hào)試樣未進(jìn)行熱處理，未增材制造后原始狀態(tài)。

表2 6061AFAM拉伸試驗(yàn)結(jié)果表

圖6 WDW-300D拉伸試驗(yàn)機(jī)

4.5 試樣力學(xué)性能檢測

試樣按照GB/T 228.1 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，在WDW-300D 微機(jī)控制電子式萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)（圖6）進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2。

4.6 拉伸試驗(yàn)結(jié)論

試樣經(jīng)熱處理后，試樣力學(xué)性能大幅提高，達(dá)到6061T6狀態(tài)性能，說明試樣原始狀態(tài)組織類似擠壓或鍛壓狀態(tài)，而非熔融后鑄造狀態(tài)組織。

5 AFAM控性試驗(yàn)研究結(jié)論

（1）AFAM所提出的擠壓摩擦、常規(guī)熱處理工藝和鍛壓復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理經(jīng)6061拉伸試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證是正確的。

（2）加微鍛（對(duì)應(yīng)表2中3、4、5、6號(hào)試樣）和不加微鍛（對(duì)應(yīng)表2中1、2號(hào)試樣）材料性能有明顯區(qū)別，加鍛試樣性能好；同時(shí)自然時(shí)效（對(duì)應(yīng)表2中1號(hào)試樣）與人工時(shí)效（對(duì)應(yīng)表2中2、3、4、5、6號(hào)試樣）也具有顯著區(qū)別，人工時(shí)效效果好。

（3）表2中所顯示的性能數(shù)據(jù)若精細(xì)控制樣件形狀、優(yōu)化AFAM工藝過程控制還有提升空間，表2中優(yōu)異數(shù)據(jù)表明AFAM（細(xì)晶+熱處理+形變）復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制發(fā)揮了不可替代的作用。

（4）從圖6 接近機(jī)床極限尺寸大型樣件的制作證實(shí)了AFAM缺陷控制工藝已經(jīng)趨于成熟，包括AFAM側(cè)增（對(duì)應(yīng)立銑）和頂增（對(duì)應(yīng)臥銑）增材模式，AFAM技術(shù)已經(jīng)具備大、中型輕合金增材零件試驗(yàn)技術(shù)工藝水平。

（5）本研究證明AFAM 不僅與FSAM技術(shù)類似適用不可熱處理強(qiáng)化合金，也適合熱處理可強(qiáng)化輕合金。

（6）AFAM屬于半固態(tài)增材制造技術(shù)，可在增材中利用現(xiàn)有材料也能適應(yīng)下一代無序高強(qiáng)合金，將會(huì)形成新的科學(xué)研究和工程應(yīng)用前緣領(lǐng)域，因而AFAM具有光明的前景[10]。

參考文獻(xiàn)

[1]中美專利文件：一種3D打印設(shè)備及方法（國內(nèi)專利號(hào)：201620892071.6 201610677242.3 美國專利號(hào) ： USPTO 15284941 ：1047）2016 東青 等

[2]Friction stir welding and processing R.S. Mishraa，*，Z.Y.Maba Center for Friction Stir Processing，Department of Materials Science and Engineering，University of Missouri，Rolla，MO 65409，USA b Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China

[3]3D打印與廣義增材制造 北京625所 關(guān)橋院士

[4]William E. Frazier Metal Additive Manufacturing ：A Review（Submitted February 24，2014；published online April 8，2014）

[5]R.S. MISHRA，Department of Materials Science and Engineering，University of North Texas，JOM，Vol. 67，No. 3，2015 ，DOI：10.1007/s11837-014-1271-x 2015 The Minerals，Metals &Materials SocietyFriction Stir Additive Manufacturing：Route to High Structural Performance

[6]國家自然科學(xué)基金（51465044）；江西省自然科學(xué)基金（20142BAB216019）；江西...搭接量對(duì) LY12 鋁合金攪拌摩擦增材制造成形的影響何 斌，黃春平等

[7]日本MAZAK公司產(chǎn)品介紹

[8]John H. Martin：3D printing of high-strength aluminium alloys（nature doi：10.1038/nature23894）

[9]Jacob Rollie Calvert：MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF WE43 ALLOY PRODUCED VIA ADDITIVE FRICTION STIR TECHNOLOGYVirginia Polytechnic Institute and State University In Material Science and Engineering 6/29/2015

[10]國家《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》新興支撐產(chǎn)業(yè)鏈暨先進(jìn)摩擦增材制造（AFAM）技術(shù)發(fā)展規(guī)劃白皮書---2018年先進(jìn)摩擦增材制造（AFAM）原創(chuàng)技術(shù)研究與應(yīng)用聯(lián)盟文件