北工大增材顶刊《AM》：实现强冶金结合！滚动摩擦增材制造高性能铝合金

2022-06-15 14:17:58 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：摩擦滚动增材制造（FRAM）是一种新兴的固态增材制造技术，适用于使用基于融合的增材制造方法容易产生凝固缺陷的高强度铝合金。然而，FRAM中间层之间良好粘合的机制仍不清楚。本研究发现。首先，材料塑性流动和宏观迁移行为在夹层沿纵向和横向同时发生，形成宏观机械互锁的非平面界面。刀头上的凸螺纹增加了横向的材料流动，有利于相邻层的材料混合。其次，严重的塑性变形导致界面两侧的晶粒显著细化。？AA2319和AA6061侧边的平均晶粒度降低率分别为98.3%和95.9%。直接接触，没有明显的氧化物，冶金界面结合完全。这些发现有助于阐明FRAM的基本物理过程，并为工艺参数优化提供指导

高强铝合金具有密度低、比强度和比模量高、断裂韧性好、疲劳强度高、耐腐蚀性好等特点，适用于航空航天和国防工业。然而，传统的以熔合为基础的增材制造（AM）方法，涉及到材料-熔化-凝固，通过形成粗晶、裂纹和气孔，极大地恶化了这些合金的力学性能。因此，近年来发展了基于摩擦的固态增材制造方法，如搅拌摩擦增材制造（FSAM）、搅拌摩擦沉积增材制造（AFSD）和摩擦堆焊（FS）等，它们在高强度铝合金中具有显著的发展潜力和前景。这些方法起源于摩擦搅拌焊接（FSW），通过摩擦产生热量，并通过严重的塑性变形实现层间粘接。然而，FSAM-nor-FS方法都不能实现连续的材料添加，以及AFSD昂贵的要求和定制设备；使得后一种方法不适合使用。最近，作者团队[开发了一种新型的低成本固态方法，称为摩擦滚动增材制造（FRAM）。该方法通过快速旋转的工具头产生热量，同时实现连续加料。由于固态加工的固有特性，材料在FSAM过程中不熔化，避免了制造中的凝固缺陷，即所谓的“不可焊”高强度铝合金。

在大多数固态制造工艺中，相邻层之间的结合质量：取决于这些层的塑性变形和材料流动行为，以及界面处的冶金结合。在严重的塑性变形过程（如FSW）中，材料的流动行为是由刀具/工件界面处的热-机械相互作用造成的。在我们之前的研究中，我们对fram 生产的6061铝合金的显微组织和抗拉强度做了初步的评估。结果表明，成功地获得了无缺陷、晶粒细化的全致密组织。与搅拌搅拌区材料受到周围冷金属的限制不同，FRAM 中的流动环境要复杂得多，因为进料是不断地送到搅拌区。在FRAM 中如此复杂的热-力学条件下，材料在相邻层界面处的流动和界面结合行为可能与FSw有明显的不同，然而，由于每一层都是用相同的材料（6061铝合金）沉积的，相邻层之间的界面无法被区分，fram产生的部分的相邻层发生的基本物理机制，特别是为什么可以实现层间结合的原因仍然不清楚，这对于掌握固态FRAM方法的本质至关重要。

在本文中，北京工业大学Haibin Liu教授团队首次揭示了FRAM过程中的材料流动行为和层间键合机制。我们采用2319铝合金焊丝作为示踪材料，AA6061作为基底，因为混合铝合金可以很容易地区分彼此。利用三维x射线计算机断层扫描（CT）研究了夹层的三维形貌，从宏观上揭示了夹层材料混合和材料流动行为的基本原理。随后，利用电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）研究界面附近的微观结构，以阐明微观层面的层间键合行为。最后，通过力学性能测试进一步验证了杂化材料的结合质量，本文获得的研究结果将有助于了解FRAM 的基本物理过程，并为今后的工艺参数优化和刀头设计提供指导。本研究以“Revealing the bonding mechanisms between deposit and substrate of the friction rolling additive manufactured hybrid aluminum alloys”为题发表在Additive Manufacturing上

论文链接：

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