攪拌摩擦增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

劉正武， 趙凱， 齊超琪， 杜洋， 封小松

(1.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245;2.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司增材制造工藝技術(shù)中心，上海 200245)

0 前言

高性能金屬結(jié)構(gòu)件增材制造技術(shù)已經(jīng)在航空航天等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在成形微觀組織調(diào)控與控形控性等方面取得了諸多進(jìn)展[1-2]。然而現(xiàn)有高能束增材制造技術(shù)在滿足低成本高性能快速制造工業(yè)需求方面依然存在較大差距[3-6]：①高能束成形工藝能源利用效率低[7]，且難以成形不可焊合金，例如在航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的2系和7系鋁合金；此外，大多數(shù)高端裝備關(guān)鍵構(gòu)件要求力學(xué)性能各向同性，然而高能束增材制造過(guò)程由于定向凝固，晶粒外延生長(zhǎng)形成大量柱狀晶粒，從而導(dǎo)致成形件具有明顯的各向異性[2]；②對(duì)于新型合金材料的增材制造應(yīng)用首先需要制備成分、形貌和粒徑分布合適的粉末，這導(dǎo)致應(yīng)用過(guò)程成本高和周期長(zhǎng)。鑒于高能束增材制造存在上述工藝特點(diǎn)和局限性，使得對(duì)于具有高光反、低熔點(diǎn)和易氧化特性的金屬材料高性能增材制造方法提出了新的需求。國(guó)內(nèi)外學(xué)者探索了大量將傳統(tǒng)材料加工原理與新穎的工藝過(guò)程相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)前所未有的制造能力的新技術(shù)。

攪拌摩擦增材制造(Additive friction stir deposition，AFSD)是一種基于填料式攪拌摩擦堆焊原理的固相金屬成形技術(shù)[8-11]。在AFSD工藝過(guò)程中，首先填充材料被擠壓至攪拌工具和基材之間，在攪拌工具軸肩-材料和材料-基體(或新層—舊層)界面處摩擦生熱軟化材料，在攪拌工具強(qiáng)力下壓和高速旋轉(zhuǎn)剪切作用下，成形材料及基材表層產(chǎn)生超塑性變形，界面熔合形成冶金結(jié)合，攪拌工具在平面內(nèi)連續(xù)移動(dòng)形成沉積道，即AFSD是基于高摩擦熱與機(jī)械攪拌耦合作用下材料經(jīng)大塑性變形實(shí)現(xiàn)的非熔凝成形，成形區(qū)域的峰值溫度通常為熔點(diǎn)溫度的50%～90%[8]，在強(qiáng)烈的塑性變形過(guò)程中，材料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)回復(fù)，與高能束成形工藝的柱狀晶組織形貌不同，AFSD成形件為晶粒細(xì)小的鍛造等軸晶組織[12]。由于非熔化，制件不會(huì)形成與快速凝固相關(guān)的缺陷，如孔隙率、熱裂紋、元素偏析、稀釋、微細(xì)分散氧化物聚集以及高殘余應(yīng)力[8]。作為固態(tài)成形工藝，AFSD為不可焊合金的增材制造提供了途徑，技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括[8-14]：①可制造更大尺寸零部件，AFSD無(wú)需粉末床、沉積腔或真空室，在空氣中即可生產(chǎn)，是獨(dú)特的開(kāi)放式操作，設(shè)備類(lèi)似于數(shù)控加工中心，可按需進(jìn)行擴(kuò)展從而制造更大型部件；②零部件性能更好，固相成形具有鍛造顯微結(jié)構(gòu)；③適用材料范圍廣，原料形態(tài)選擇靈活；④沉積速度快；⑤成形溫度低，熔覆層沉積的溫度通常為100～500 ℃，例如鋁合金涂層的沉積溫度通常低于400 ℃。

文中簡(jiǎn)述國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有AFSD技術(shù)類(lèi)別及其研究進(jìn)展，重點(diǎn)針對(duì)極具應(yīng)用前景的同軸送料式攪拌摩擦增材的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)敘述，最后對(duì)AFSD技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行展望，并指出技術(shù)局限性。

1 攪拌摩擦增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀

AFSD的原材料形態(tài)包括板材、棒料、粉末、顆粒料，甚至機(jī)加工屑等形態(tài)，根據(jù)原材料添加方式的不同，可以將AFSD分為同軸送料式攪拌摩擦增材技術(shù)、預(yù)置料式攪拌摩擦增材技術(shù)以及冷噴涂復(fù)合攪拌摩擦增材制造等其他技術(shù)。

1.1 同軸送料式攪拌摩擦增材制造技術(shù)

同軸送料式AFSD工藝是由美國(guó)航空公司(Aeroprobe)歷經(jīng)近10年發(fā)明創(chuàng)造，其擁有十余項(xiàng)技術(shù)專利。2018年1月，Aeroprobe公司將其專利工藝更名為“MELD”技術(shù)，以便與現(xiàn)有其他金屬增材制造工藝區(qū)分，同年4月成立MELD公司，并推出了K2，L3，B8等滿足不同需求與尺寸的商業(yè)化設(shè)備[8]。該技術(shù)利用一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的空心旋轉(zhuǎn)工具，金屬棒材被從中心孔直接壓入或粉末/加工屑等顆粒原料通過(guò)螺旋桿旋轉(zhuǎn)擠壓進(jìn)入攪拌工具與基材之間，通過(guò)摩擦產(chǎn)熱軟化填充料至半固態(tài)，進(jìn)而以高沉積速率逐層沉積，如圖1所示[8, 12-13]。可以對(duì)同種金屬材料增材成形，例如鋁合金、鎂合金、鋁鋰合金、銅合金等，也可以用于高溫合金、鈦合金、不銹鋼、鈦鋁合金等材料成形，甚至用于金屬材料與塑料、陶瓷等異種材料連接[8]。

圖1 同軸送料式攪拌摩擦增材制造技術(shù)[12]

Kandasamy等人[15]首先應(yīng)用該技術(shù)對(duì)鋁合金和鎂合金等材料進(jìn)行沉積成形，成功制備WE43鎂合金試件，其顯微硬度為115 HV，抗拉強(qiáng)度達(dá)到400 MPa，斷后伸長(zhǎng)率17%，力學(xué)性能優(yōu)于同質(zhì)基材，驗(yàn)證了該技術(shù)的原理可行性。Phillips等人[16-19]對(duì)AFSD成形工藝的材料顯微組織演變，熱-機(jī)耦合成形機(jī)理，傳熱、傳質(zhì)以及力學(xué)性能影響因素等進(jìn)行了深入研究，為該工藝技術(shù)的工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。中空攪拌工具的設(shè)計(jì)是AFSD工藝的核心技術(shù)，攪拌工具帶動(dòng)棒料等高速旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)部通道尺寸需要與棒料等外形匹配，是摩擦熱以及鍛壓塑性變形和摩擦剪切塑性變形的主要能量來(lái)源[20]，Jeffrey[21]對(duì)AFSD技術(shù)的攪拌工具進(jìn)行了優(yōu)化，研究了不同形狀內(nèi)部通道對(duì)棒料的扭力傳遞過(guò)程，多邊形通道形狀的攪拌工具扭力傳遞更均勻，研發(fā)了多種攪拌工具端面紋路，發(fā)現(xiàn)平端面攪拌工具成形的沉積層表面質(zhì)量更好，而凸點(diǎn)或漸開(kāi)線等端面紋路對(duì)應(yīng)成形件層間結(jié)合強(qiáng)度更高。AFSD成形過(guò)程中棒料加載會(huì)暫停成形過(guò)程，波音公司Rogie[22]對(duì)AFSD棒料連續(xù)送進(jìn)機(jī)制進(jìn)行研究，提出了轉(zhuǎn)盤(pán)式、鏈條式、齒輪式等多種高效棒料填充方法，以提升AFSD成形效率與質(zhì)量，如圖2所示[21-24]。

圖2 高效棒料填充方法[21-24]

1.2 預(yù)置料式攪拌摩擦增材制造技術(shù)

與同軸送料方式不同，預(yù)置料式攪拌摩擦增材制造技術(shù)通過(guò)先在基材上鋪設(shè)一層板材或者粉末[25-26]，采用傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接設(shè)備執(zhí)行類(lèi)似焊接操作，將預(yù)置料與基材熔合形成沉積道，層層堆疊形成結(jié)構(gòu)件。與同軸送料方式相比，設(shè)備簡(jiǎn)單，但工藝流程繁瑣，材料利用率低，如圖3所示[13, 27-28]。

圖3 預(yù)置料式攪拌摩擦增材制造技術(shù)

三菱重工的Yoto[23]在其專利中提出了鋪粉式攪拌摩擦增材制造技術(shù)，Mao 等人[24]研究了預(yù)置板式AFSD鋁基構(gòu)件成形過(guò)程，重點(diǎn)關(guān)注溝狀缺陷在不同沉積層成形過(guò)程中的形態(tài)演變與消失，在第1層板料攪拌摩擦過(guò)程時(shí)，溝狀缺陷自前進(jìn)側(cè)向后退側(cè)延伸，然后在新填充材料擠壓作用下，溝狀缺陷流動(dòng)到外部，從而得到無(wú)缺陷的攪拌摩擦中心區(qū)域。

Phillips等人[16]詳細(xì)設(shè)計(jì)了攪拌工具形狀和攪拌針尺寸以控制熱輸入和塑性材料變形流動(dòng)。Zhao等人[27]研究不同攪拌針形狀和工藝參數(shù)對(duì)沉積層間界面結(jié)合強(qiáng)度影響，表明攪拌針形狀對(duì)材料混合程度具有重要影響，三面錐和圓柱形攪拌針不適用于成形，而凸面形和三凹弧槽攪拌針工具可以較均勻地混合材料。

1.3 其他攪拌摩擦增材制造技術(shù)

由攪拌摩擦焊技術(shù)衍生出的攪拌摩擦覆層技術(shù)也被應(yīng)用于增材制造，例如通過(guò)攪拌摩擦與冷噴涂、熱噴涂、電沉積等工藝技術(shù)復(fù)合用于制備性能優(yōu)良的涂層材料，甚至進(jìn)行結(jié)構(gòu)件成形，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具可以提高涂層材料的致密度，結(jié)合強(qiáng)度，成分均勻，晶粒細(xì)化，大幅提升機(jī)械強(qiáng)度[28-29]，如圖4所示。

圖4 冷噴涂復(fù)合攪拌摩擦增材[28]

2 攪拌摩擦增材制造技術(shù)應(yīng)用

2.1 大型結(jié)構(gòu)件成形或特征結(jié)構(gòu)添加

AFSD技術(shù)可以應(yīng)用于直接成形[8]，如圖5所示。MELD公司采用同軸送料式攪拌摩擦增材制造技術(shù)直接成形了直徑達(dá)到3.05 m的鋁合金框環(huán)，展現(xiàn)了該技術(shù)在大型結(jié)構(gòu)件的成形能力，如圖5a, 5b所示。AFSD技術(shù)可用于增加結(jié)構(gòu)特征，如連接點(diǎn)、加強(qiáng)筋、法蘭，或者通過(guò)鑄造或擠壓等技術(shù)不易增加的特征，通過(guò)與鑄鍛等傳統(tǒng)制造技術(shù)結(jié)合，AFSD技術(shù)可以進(jìn)一步提高復(fù)雜產(chǎn)品低成本高效率成形能力，如圖5c，5d所示，在鋁合金板材上添加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。AFSD技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的大型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件，高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)件研制中具有巨大的應(yīng)用前景。

圖5 攪拌摩擦增材制造結(jié)構(gòu)件成形

Rivera等人[30]率先開(kāi)展了多種合金材料AFSD成形組織與力學(xué)性能研究(圖6)，IN625高溫合金成形件結(jié)構(gòu)致密，為細(xì)小的等軸晶組織，平均晶粒尺寸0.27 μm，較原材料晶粒細(xì)化，直接成形件抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 072 MPa，見(jiàn)表1，力學(xué)性能優(yōu)于鑄造以及傳統(tǒng)高能束增材制造工藝制件。

圖6 AFSD工藝成形IN625成形件顯微組織晶粒細(xì)化[30]

表1 不同工藝成形IN625高溫合金的晶粒形貌及力學(xué)性能

Rivera等人[31]研究了AFSD高速成形AA2219鋁合金(1 000 cm3/h)的沉積方向和不同沉積位置與材料力學(xué)性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖7)，結(jié)果顯示，拉伸強(qiáng)度自基材底部到成形件頂部不斷提高，但顯微硬度無(wú)差別，此外，在準(zhǔn)靜態(tài)(拉伸速率0.001 s-1)和高應(yīng)變速率(拉伸速率1 500 s-1)拉伸條件下，壓縮和拉伸試樣的力學(xué)性能與取向無(wú)關(guān)。

圖7 AFSD成形AA2219鋁合金[31]

2.2 梯度材料與涂層制備

對(duì)于化學(xué)成分、熱膨脹系數(shù)等差異巨大的異種材料，傳統(tǒng)熔凝成形工藝由于成分稀釋，生成脆性相等原因難以實(shí)現(xiàn)良好成形，而AFSD技術(shù)基于成形過(guò)程中的熱-機(jī)耦合作用可以實(shí)現(xiàn)其良好的界面冶金結(jié)合[31-35]。

圖8為梯度材料與涂層制備，Mejpa等人[36]在AA6061鋁合金上沉積AA2024鋁合金(圖8a)，從形態(tài)學(xué)和顯微組織分析了梯度材料結(jié)合面非平面熔合界面的形成過(guò)程，首先，沉積材料在巨大的下壓力作用下扎入原基材表面以下，同時(shí)基材材料涌出，其在攪拌工具軸肩鍛壓和剪切作用下自前進(jìn)側(cè)向后退側(cè)流動(dòng)，形成魚(yú)鰭以及鋸齒狀形貌，沉積材料與基材在界面處宏觀上發(fā)生明顯的混合與嵌入，形成典型的非平面特征形貌。Hartley等人[37]通過(guò)在Al-Mg-Si薄板上沉積涂層，評(píng)價(jià)采用AFSD技術(shù)自動(dòng)化沉積覆層的可行性以及覆層質(zhì)量和基材稀釋率(圖8b，8c)。結(jié)果顯示，在1.4mm厚度的薄板上仍然可以成形無(wú)表面和界面氣孔的高質(zhì)量涂層，同時(shí)不會(huì)影響基材的機(jī)械性能，薄板基材沒(méi)有明顯的彎曲和變形，其應(yīng)力和應(yīng)變均處于較低水平。Hang等人[12]在Cu基體上成形了Nb-Cu和Ta-9Cu梯度材料，彎曲測(cè)試不會(huì)產(chǎn)生剝離。

圖8 梯度材料與涂層制備[36]

AFSD對(duì)成形材料的廣泛適用性及高性能結(jié)合界面為多材料功構(gòu)件制備提供了極大的設(shè)計(jì)自由和技術(shù)途徑。當(dāng)然，沉積材料在一定的應(yīng)變速率下不能與基材的力學(xué)性能差異過(guò)大，否則會(huì)形成銑削過(guò)程而無(wú)法沉積。

2.3 修復(fù)

利用AFSD技術(shù)裝備簡(jiǎn)單，工藝流程短優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于快速修復(fù)，降低成本，縮短周期。Griffith等人[38]，研究了AFSD技術(shù)在7075等高強(qiáng)度高性能鋁合金產(chǎn)品修復(fù)方面的應(yīng)用潛力，如圖9所示，針對(duì)貫穿單孔洞、多孔洞、長(zhǎng)條溝槽等損傷形式，相較于熔化焊接修復(fù)易產(chǎn)生熱裂紋、氣孔等缺陷，AFSD可以實(shí)現(xiàn)快速填充并且?guī)缀鯖](méi)有缺陷。

圖9 AFSD技術(shù)缺陷修復(fù)應(yīng)用[38]

MELD公司展示了AFSD技術(shù)在戰(zhàn)地快速修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，將設(shè)備與機(jī)械臂組合或安裝在標(biāo)準(zhǔn)集裝箱中形成移動(dòng)修復(fù)裝備，用于在前線作戰(zhàn)基地等戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修，延長(zhǎng)軍事資產(chǎn)和部件的使用壽命[38-39]。

2.4 新材料制備

Criffiths等人[39]采用同軸送粉式AFSD技術(shù)開(kāi)展了Al-SiC, Al6061-Mo以及Al6061-W等多種鋁基復(fù)合材料制備研究，由于固相成形過(guò)程，鋁基復(fù)合材料不存在熱裂紋、氣孔等缺陷，成形過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)不同成分粉末材料混合，成形件化學(xué)成分均勻。

Garcia等人[40]采用不同形狀的攪拌工具制備SiC復(fù)合6061鋁合金和SiC復(fù)合純銅復(fù)合材料，觀察SiC顆粒分布均勻性以及增強(qiáng)體與基體結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)果表明帶有凸點(diǎn)攪拌工具可以使得復(fù)合材料增強(qiáng)顆粒分布更加均勻，復(fù)合材料增強(qiáng)體與基體界面均具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。

3 發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

攪拌工具設(shè)計(jì)是AFSD成形工藝的核心技術(shù)?，F(xiàn)階段AFSD的研究更多集中在提升制造尺寸和制造效率上，因此攪拌工具的軸肩和填充材料尺寸較大，只能用于成形大尺寸的結(jié)構(gòu)特征，成形精度低。粉末床增材制造可以成形0.5 mm左右的結(jié)構(gòu)特征，而AFSD技術(shù)的成形尺寸最小約10 mm，因此只能稱為近凈成形技術(shù)。研究精密尺寸的攪拌工具和填充材料是該技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。此外，攪拌工具軸肩在AFSD成形過(guò)程中比攪拌焊接承受更大的壓力和復(fù)雜的受力條件，面臨磨損等導(dǎo)致的低壽命問(wèn)題，研制高硬度，耐高溫，耐磨損的鎢合金、陶瓷材料攪拌工具，不但可以確保成形工藝穩(wěn)定，還可以拓展材料適用性，應(yīng)用于高溫合金、鈦合金、高強(qiáng)鋼等。

懸空面成形是增材制造技術(shù)普遍面臨的技術(shù)難題，高能束粉末床技術(shù)需通過(guò)添加支撐等工藝成形，高能束直接沉積技術(shù)通過(guò)增加旋轉(zhuǎn)軸，依靠機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃來(lái)避免懸空面的出現(xiàn)，對(duì)于具有壓力成形屬性的AFSD技術(shù)，雖然不涉及熔體坍塌等問(wèn)題，但成形過(guò)程中來(lái)自軸肩的壓力和剪切力容易使得邊界材料外溢和翹曲，AFSD成形結(jié)構(gòu)受到最大自支撐成形角度的限制。Hang等人[12]實(shí)現(xiàn)了與垂直夾角54°壓力容器頂面結(jié)構(gòu)的自支撐成形，如圖10所示,研究和提升AFSD自支撐成形能力將是AFSD技術(shù)未來(lái)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。

圖10 壓力容器成形件最大懸垂角[12]

AFSD專用成形工藝軟件是該技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。現(xiàn)有AFSD技術(shù)成形多是基于傳統(tǒng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制，只能應(yīng)用于形狀簡(jiǎn)單的構(gòu)件，研發(fā)適用于AFSD工藝特點(diǎn)的模型處理軟件和路徑規(guī)劃軟件，并考慮到機(jī)加工等后處理需求，對(duì)于提升該技術(shù)的成形能力和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)攪拌摩擦增材制造技術(shù)主要包括同軸送料式、預(yù)置料式以及冷噴涂復(fù)合攪拌摩擦增材制造等技術(shù)類(lèi)別，其中以MELD公司開(kāi)發(fā)的棒料同軸送料式研究最為充分，其成熟裝備已推向市場(chǎng)。

(2)攪拌摩擦增材制造為固相成形，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，適用材料范圍廣，可以在空氣環(huán)境中進(jìn)行，可應(yīng)用于輕質(zhì)大型結(jié)構(gòu)件增材制造及特征結(jié)構(gòu)添加，梯度材料與涂層制備，缺陷損傷修復(fù)及新型復(fù)合材料制備。

(3)攪拌摩擦增材制造技術(shù)在攪拌工具設(shè)計(jì)、自支撐成形工藝提升以及專用成形工藝軟件開(kāi)發(fā)等方面需進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究，以便推廣其技術(shù)應(yīng)用。