攪拌摩擦增材制造技術研究現狀與發展趨勢

劉正武， 趙凱， 齊超琪， 杜洋， 封小松

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

0 前言

高性能金屬結構件增材制造技術已經在航空航天等領域得到大量應用，國內外研究學者在成形微觀組織調控與控形控性等方面取得了諸多進展[1-2]。然而現有高能束增材制造技術在滿足低成本高性能快速制造工業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，例如在航天領域廣泛應用的2系和7系鋁合金；此外，大多數高端裝備關鍵構件要求力學性能各向同性，然而高能束增材制造過程由于定向凝固，晶粒外延生長形成大量柱狀晶粒，從而導致成形件具有明顯的各向異性[2]；②對于新型合金材料的增材制造應用首先需要制備成分、形貌和粒徑分布合適的粉末，這導致應用過程成本高和周期長。鑒于高能束增材制造存在上述工藝特點和局限性，使得對于具有高光反、低熔點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。國內外學者探索了大量將傳統材料加工原理與新穎的工藝過程相結合以實現前所未有的制造能力的新技術。

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[8-11]。在AFSD工藝過程中，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，在攪拌工具強力下壓和高速旋轉剪切作用下，成形材料及基材表層產生超塑性變形，界面熔合形成冶金結合，攪拌工具在平面內連續移動形成沉積道，即AFSD是基于高摩擦熱與機械攪拌耦合作用下材料經大塑性變形實現的非熔凝成形，成形區域的峰值溫度通常為熔點溫度的50%～90%[8]，在強烈的塑性變形過程中，材料進行了動態再結晶和動態回復，與高能束成形工藝的柱狀晶組織形貌不同，AFSD成形件為晶粒細小的鍛造等軸晶組織[12]。由于非熔化，制件不會形成與快速凝固相關的缺陷，如孔隙率、熱裂紋、元素偏析、稀釋、微細分散氧化物聚集以及高殘余應力[8]。作為固態成形工藝，AFSD為不可焊合金的增材制造提供了途徑，技術優點包括[8-14]：①可制造更大尺寸零部件，AFSD無需粉末床、沉積腔或真空室，在空氣中即可生產，是獨特的開放式操作，設備類似于數控加工中心，可按需進行擴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構；③適用材料范圍廣，原料形態選擇靈活；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 ℃。

文中簡述國內外現有AFSD技術類別及其研究進展，重點針對極具應用前景的同軸送料式攪拌摩擦增材的技術優勢和應用現狀進行詳細敘述，最后對AFSD技術的發展前景進行展望，并指出技術局限性。

1 攪拌摩擦增材制造技術研究現狀

AFSD的原材料形態包括板材、棒料、粉末、顆粒料，甚至機加工屑等形態，根據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、預置料式攪拌摩擦增材技術以及冷噴涂復合攪拌摩擦增材制造等其他技術。

1.1 同軸送料式攪拌摩擦增材制造技術

同軸送料式AFSD工藝是由美國航空公司(Aeroprobe)歷經近10年發明創造，其擁有十余項技術專利。2018年1月，Aeroprobe公司將其專利工藝更名為“MELD”技術，以便與現有其他金屬增材制造工藝區分，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化設備[8]。該技術利用一個高速旋轉的空心旋轉工具，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螺旋桿旋轉擠壓進入攪拌工具與基材之間，通過摩擦產熱軟化填充料至半固態，進而以高沉積速率逐層沉積，如圖1所示[8, 12-13]。可以對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[12]

Kandasamy等人[15]首先應用該技術對鋁合金和鎂合金等材料進行沉積成形，成功制備WE43鎂合金試件，其顯微硬度為115 HV，抗拉強度達到400 MPa，斷后伸長率17%，力學性能優于同質基材，驗證了該技術的原理可行性。Phillips等人[16-19]對AFSD成形工藝的材料顯微組織演變，熱-機耦合成形機理，傳熱、傳質以及力學性能影響因素等進行了深入研究，為該工藝技術的工程應用奠定了理論基礎。中空攪拌工具的設計是AFSD工藝的核心技術，攪拌工具帶動棒料等高速旋轉，其內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源[20]，Jeffrey[21]對AFSD技術的攪拌工具進行了優化，研究了不同形狀內部通道對棒料的扭力傳遞過程，多邊形通道形狀的攪拌工具扭力傳遞更均勻，研發了多種攪拌工具端面紋路，發現平端面攪拌工具成形的沉積層表面質量更好，而凸點或漸開線等端面紋路對應成形件層間結合強度更高。AFSD成形過程中棒料加載會暫停成形過程，波音公司Rogie[22]對AFSD棒料連續送進機制進行研究，提出了轉盤式、鏈條式、齒輪式等多種高效棒料填充方法，以提升AFSD成形效率與質量，如圖2所示[21-24]。

圖2 高效棒料填充方法[21-24]

1.2 預置料式攪拌摩擦增材制造技術

與同軸送料方式不同，預置料式攪拌摩擦增材制造技術通過先在基材上鋪設一層板材或者粉末[25-26]，采用傳統攪拌摩擦焊接設備執行類似焊接操作，將預置料與基材熔合形成沉積道，層層堆疊形成結構件。與同軸送料方式相比，設備簡單，但工藝流程繁瑣，材料利用率低，如圖3所示[13, 27-28]。

圖3 預置料式攪拌摩擦增材制造技術

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，Mao 等人[24]研究了預置板式AFSD鋁基構件成形過程，重點關注溝狀缺陷在不同沉積層成形過程中的形態演變與消失，在第1層板料攪拌摩擦過程時，溝狀缺陷自前進側向后退側延伸，然后在新填充材料擠壓作用下，溝狀缺陷流動到外部，從而得到無缺陷的攪拌摩擦中心區域。

Phillips等人[16]詳細設計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。Zhao等人[27]研究不同攪拌針形狀和工藝參數對沉積層間界面結合強度影響，表明攪拌針形狀對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

由攪拌摩擦焊技術衍生出的攪拌摩擦覆層技術也被應用于增材制造，例如通過攪拌摩擦與冷噴涂、熱噴涂、電沉積等工藝技術復合用于制備性能優良的涂層材料，甚至進行結構件成形，高速旋轉的攪拌工具可以提高涂層材料的致密度，結合強度，成分均勻，晶粒細化，大幅提升機械強度[28-29]，如圖4所示。

圖4 冷噴涂復合攪拌摩擦增材[28]

2 攪拌摩擦增材制造技術應用

2.1 大型結構件成形或特征結構添加

AFSD技術可以應用于直接成形[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直接成形了直徑達到3.05 m的鋁合金框環，展現了該技術在大型結構件的成形能力，如圖5a, 5b所示。AFSD技術可用于增加結構特征，如連接點、加強筋、法蘭，或者通過鑄造或擠壓等技術不易增加的特征，通過與鑄鍛等傳統制造技術結合，AFSD技術可以進一步提高復雜產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筋結構。AFSD技術在航空航天等領域的大型輕質結構件，高性能復雜結構件研制中具有巨大的應用前景。

圖5 攪拌摩擦增材制造結構件成形

Rivera等人[30]率先開展了多種合金材料AFSD成形組織與力學性能研究(圖6)，IN625高溫合金成形件結構致密，為細小的等軸晶組織，平均晶粒尺寸0.27 μm，較原材料晶粒細化，直接成形件抗拉強度達到1 072 MPa，見表1，力學性能優于鑄造以及傳統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化[30]

表1 不同工藝成形IN625高溫合金的晶粒形貌及力學性能

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性能的對應關系(圖7)，結果顯示，拉伸強度自基材底部到成形件頂部不斷提高，但顯微硬度無差別，此外，在準靜態(拉伸速率0.001 s-1)和高應變速率(拉伸速率1 500 s-1)拉伸條件下，壓縮和拉伸試樣的力學性能與取向無關。

圖7 AFSD成形AA2219鋁合金[31]

2.2 梯度材料與涂層制備

對于化學成分、熱膨脹系數等差異巨大的異種材料，傳統熔凝成形工藝由于成分稀釋，生成脆性相等原因難以實現良好成形，而AFSD技術基于成形過程中的熱-機耦合作用可以實現其良好的界面冶金結合[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)，從形態學和顯微組織分析了梯度材料結合面非平面熔合界面的形成過程，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側向后退側流動，形成魚鰭以及鋸齒狀形貌，沉積材料與基材在界面處宏觀上發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]通過在Al-Mg-Si薄板上沉積涂層，評價采用AFSD技術自動化沉積覆層的可行性以及覆層質量和基材稀釋率(圖8b，8c)。結果顯示，在1.4mm厚度的薄板上仍然可以成形無表面和界面氣孔的高質量涂層，同時不會影響基材的機械性能，薄板基材沒有明顯的彎曲和變形，其應力和應變均處于較低水平。Hang等人[12]在Cu基體上成形了Nb-Cu和Ta-9Cu梯度材料，彎曲測試不會產生剝離。

圖8 梯度材料與涂層制備[36]

AFSD對成形材料的廣泛適用性及高性能結合界面為多材料功構件制備提供了極大的設計自由和技術途徑。當然，沉積材料在一定的應變速率下不能與基材的力學性能差異過大，否則會形成銑削過程而無法沉積。

2.3 修復

利用AFSD技術裝備簡單，工藝流程短優勢，可應用于快速修復，降低成本，縮短周期。Griffith等人[38]，研究了AFSD技術在7075等高強度高性能鋁合金產品修復方面的應用潛力，如圖9所示，針對貫穿單孔洞、多孔洞、長條溝槽等損傷形式，相較于熔化焊接修復易產生熱裂紋、氣孔等缺陷，AFSD可以實現快速填充并且幾乎沒有缺陷。

圖9 AFSD技術缺陷修復應用[38]

MELD公司展示了AFSD技術在戰地快速修復領域的應用前景，將設備與機械臂組合或安裝在標準集裝箱中形成移動修復裝備，用于在前線作戰基地等戰場環境進行現場維修，延長軍事資產和部件的使用壽命[38-39]。

2.4 新材料制備

Criffiths等人[39]采用同軸送粉式AFSD技術開展了Al-SiC, Al6061-Mo以及Al6061-W等多種鋁基復合材料制備研究，由于固相成形過程，鋁基復合材料不存在熱裂紋、氣孔等缺陷，成形過程中可以實現不同成分粉末材料混合，成形件化學成分均勻。

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

3 發展趨勢與挑戰

攪拌工具設計是AFSD成形工藝的核心技術。現階段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構特征，成形精度低。粉末床增材制造可以成形0.5 mm左右的結構特征，而AFSD技術的成形尺寸最小約10 mm，因此只能稱為近凈成形技術。研究精密尺寸的攪拌工具和填充材料是該技術發展的趨勢之一。此外，攪拌工具軸肩在AFSD成形過程中比攪拌焊接承受更大的壓力和復雜的受力條件，面臨磨損等導致的低壽命問題，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定，還可以拓展材料適用性，應用于高溫合金、鈦合金、高強鋼等。

懸空面成形是增材制造技術普遍面臨的技術難題，高能束粉末床技術需通過添加支撐等工藝成形，高能束直接沉積技術通過增加旋轉軸，依靠機床運動軌跡規劃來避免懸空面的出現，對于具有壓力成形屬性的AFSD技術，雖然不涉及熔體坍塌等問題，但成形過程中來自軸肩的壓力和剪切力容易使得邊界材料外溢和翹曲，AFSD成形結構受到最大自支撐成形角度的限制。Hang等人[12]實現了與垂直夾角54°壓力容器頂面結構的自支撐成形，如圖10所示,研究和提升AFSD自支撐成形能力將是AFSD技術未來的重點研究內容之一。

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推廣應用的關鍵。現有AFSD技術成形多是基于傳統機床的運動控制，只能應用于形狀簡單的構件，研發適用于AFSD工藝特點的模型處理軟件和路徑規劃軟件，并考慮到機加工等后處理需求，對于提升該技術的成形能力和產品質量具有重要作用。

4 結束語

(1)攪拌摩擦增材制造技術主要包括同軸送料式、預置料式以及冷噴涂復合攪拌摩擦增材制造等技術類別，其中以MELD公司開發的棒料同軸送料式研究最為充分，其成熟裝備已推向市場。

(2)攪拌摩擦增材制造為固相成形，工藝過程簡單，適用材料范圍廣，可以在空氣環境中進行，可應用于輕質大型結構件增材制造及特征結構添加，梯度材料與涂層制備，缺陷損傷修復及新型復合材料制備。

(3)攪拌摩擦增材制造技術在攪拌工具設計、自支撐成形工藝提升以及專用成形工藝軟件開發等方面需進一步開展相關研究，以便推廣其技術應用。