攪拌摩擦增材制造方法研究進(jìn)展*

暢海丞，張貴鋒，王鑫煒，趙啟宏，王書(shū)杰

（西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710049）

0 前 言

增材制造（additive manufacturing, AM） 技術(shù)，亦稱3D打印技術(shù)，是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的通過(guò)切削方式生產(chǎn)零件技術(shù)不同，增材制造使用粉材、絲材、線材作為原材料，通過(guò)熔化-凝固、逐層累加材料的方式對(duì)3D 零件直接成型。相對(duì)于傳統(tǒng)切削加工制造技術(shù)(減材制造)，增材制造方式具有近凈成形、加工余量小、加工效率高、免用模具等優(yōu)點(diǎn)，并且極大地減少了傳統(tǒng)減材加工中對(duì)材料的浪費(fèi)[1]，可避免難加工、塑性差的材質(zhì)在切削或冷加工變形中出現(xiàn)的開(kāi)裂，或避免高溫重載的耗能加工變形條件。

增材制造技術(shù)呈現(xiàn)如下發(fā)展歷程：①增材原材料已從低熔點(diǎn)的聚合物發(fā)展到高熔點(diǎn)金屬，從粉材（粉床與送粉兩種供粉方式）發(fā)展到線材與板材；②增材所用能源從激光發(fā)展到電弧、電子束、等離子束等；③以摩擦、超聲振動(dòng)為能源的固相增材制造技術(shù)。目前關(guān)于AM 的研究主要集中在增材原材料的設(shè)計(jì)與制備（如高純細(xì)徑粉末）、增材工藝優(yōu)化、增材件成形-組織（含缺陷）-性能調(diào)控研究（形-性調(diào)控）。現(xiàn)有熔化-凝固過(guò)程，導(dǎo)致最終部件中往往存在一系列缺陷，例如內(nèi)部孔隙、裂紋、合金元素?zé)龘p、致密性差、局部冶金缺陷等，這種缺陷在鋁、鎂等輕質(zhì)合金中的體現(xiàn)尤為明顯[2-3]。即使無(wú)缺陷的增材件也存在晶粒粗大的問(wèn)題，使增材件的性能難以超越傳統(tǒng)軋制件。

現(xiàn)有的攪拌摩擦增材技術(shù)分為兩個(gè)大類：基于攪拌摩擦搭接焊的以板材為原材料的“攪拌摩擦搭接增材（FSAM）”與以棒材或絲材為原材料的“攪拌摩擦沉積增材（AFSD）”。本研究重點(diǎn)對(duì)迄今已公開(kāi)報(bào)道的三種攪拌摩擦增材制造技術(shù)進(jìn)行了介紹和分析，為相關(guān)研究人員提供一定的參考。

1 攪拌摩擦增材制造方法概述

攪拌摩擦焊接（friction stir welding，F(xiàn)SW）于1991 年由英國(guó)焊接研究所首先提出，屬于固相連接技術(shù)的一種[4]。FSW 所用旋轉(zhuǎn)工具由同軸的軸肩與攪拌針兩部分組成，它通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的軸肩產(chǎn)生的摩擦加熱作用、擠壓作用和插入焊接界面的攪拌針的攪拌作用，使待焊接部位發(fā)生軟化，并利用旋轉(zhuǎn)工具的周向驅(qū)動(dòng)與軸肩的豎向擠壓形成的塑性流動(dòng)，在攪拌頭行進(jìn)過(guò)程中將攪拌針兩側(cè)處于軟化狀態(tài)的材料進(jìn)行攪拌混合，通過(guò)塑性流動(dòng)形成致密的焊縫組織，實(shí)現(xiàn)固態(tài)連接。

攪拌摩擦增材的要點(diǎn)在于專用工具的開(kāi)發(fā)（需匹配增材原材料的形狀）、增材材料送給方式、熱-力調(diào)控、外觀成形、界面結(jié)合、工具冷卻等多個(gè)方面。尤其欲實(shí)現(xiàn)原材料的連續(xù)送進(jìn)時(shí)，攪拌摩擦專用工具研發(fā)難度增大。通過(guò)對(duì)工具的設(shè)計(jì)改進(jìn)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀原材料的累加增材。攪拌摩擦增材技術(shù)以攪拌摩擦焊接技術(shù)原理為基礎(chǔ)，利用不同旋轉(zhuǎn)工具的熱-力作用，通過(guò)攪拌頭或特殊工具反復(fù)作用將待增材金屬反復(fù)逐層堆積在基材上，從而獲得完整3D 零件。

與當(dāng)前備受關(guān)注的熔化增材技術(shù)相比，基于固相焊原理的攪拌摩擦增材技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①在增材過(guò)程中材料不發(fā)生熔化，避免了熔化-凝固過(guò)程中出現(xiàn)的氣孔、結(jié)晶裂紋等缺陷；②攪拌摩擦增材制造過(guò)程還能誘發(fā)再結(jié)晶，使最終得到具有細(xì)小晶粒的鍛造組織；③攪拌摩擦增材過(guò)程以工具與材料表面的摩擦熱作為熱源，不存在弧光、飛濺等工藝缺陷。攪拌摩擦增材技術(shù)可以較好地解決鋁合金、鎂合金等合金熔化增材制造的弊端，因此在輕質(zhì)合金增材制造方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展前景[5]。

目前，攪拌摩擦增材制造技術(shù)主要包括：①采用“實(shí)心軸肩+板材”的攪拌摩擦增材（friction stir additive manufacturing, FSAM）[6]，實(shí)質(zhì)就是采用傳統(tǒng)帶針工具的多層攪拌摩擦搭接焊；②采用“空心軸肩+棒材送進(jìn)”的攪拌摩擦沉 積 增 材 （additive friction stir deposition,AFSD）[7]，該技術(shù)還可以把粉材、金屬切屑、切斷的短絲材預(yù)壓制成棒型坯材，然后再利用中空攪拌頭進(jìn)行攪拌摩擦增材，具有選材范圍廣泛、高效連續(xù)送進(jìn)的綜合優(yōu)勢(shì)；③哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃永憲在2022 年首次報(bào)道的絲材連續(xù)送進(jìn)式攪拌摩擦沉積增材技術(shù)[8]。

2 基于多層攪拌摩擦搭接焊的攪拌摩擦搭接增材（FSAM）技術(shù)

FSAM （friction stir additive manufacturing）技術(shù)的增材過(guò)程類似于多層攪拌摩擦搭接焊的過(guò)程，如圖1 所示[9-10]，其所用工具為FSW 中常用的帶針工具。這種增材技術(shù)最早由White[11]于2002 年以專利的形式提出，在2006 年由空客公司首次商用以生產(chǎn)Al-Li 2025 合金肋板。這種方法一般的工藝過(guò)程為提前準(zhǔn)備好用于增材制造的板材，去污、清洗后重疊進(jìn)行裝夾，在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)下，進(jìn)行焊接完成第一次增材過(guò)程，后續(xù)則重復(fù)這一過(guò)程直至增材體達(dá)到所需高度[12]；與攪拌摩擦搭接焊的區(qū)別在于，在完成每層的攪拌摩擦搭接增材后，需要去除飛邊并加工表面，最后把增材體毛坯經(jīng)一定精加工后獲得成品[13]。

圖1 FSAM技術(shù)示意圖

FSAM 質(zhì)量與多個(gè)工藝參數(shù)相關(guān)，除了FSW常見(jiàn)參數(shù)外，攪拌針形狀對(duì)增材質(zhì)量也有影響，天津大學(xué)趙榟鈞等研究發(fā)現(xiàn)，偏心圓、三凹面圓弧槽狀攪拌針有利于促進(jìn)界面混合，從而提高增材質(zhì)量[14]。Sigl 等[15]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用雙輥固定和旋轉(zhuǎn)工具可得到無(wú)缺陷的7075 鋁合金結(jié)構(gòu)。

除工藝、工具因素外，用于FSAM 的材料本身厚度、類型、成分、性能也是影響FSAM 質(zhì)量的重要因素。Zhang 等[16]研究了不同厚度的板材對(duì)于FSAM 質(zhì)量的影響，結(jié)果證明在一定范圍內(nèi)層厚的增加導(dǎo)致增材過(guò)程中溫度降低，從而使晶粒得到細(xì)化，一定程度上提高了增材體的力學(xué)性能。

總的來(lái)說(shuō)，F(xiàn)SAM 技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高的優(yōu)勢(shì)，從而有能力實(shí)現(xiàn)大型零部件的制備，可使用的沉積材料范圍廣，并且具有優(yōu)異的冶金組織與性能。Palanivel 等[17]成功使用Mg-4Y-3Nd合金進(jìn)行FSAM，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)相比于原合金，由于消除了加工硬化，增材制造所得增材體硬度、延展性均有提高。Wlodarski[18]則采用三道平行焊縫進(jìn)行焊接，制備了大面積無(wú)體積缺陷的7層AZ31板形成的增材體。但由于使用帶針工具的FSAM技術(shù)主要源于攪拌摩擦搭接技術(shù)，在繼承了FSLW 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也引入了一系列FSLW 技術(shù)難以避免的缺陷，包括單道焊合寬度狹窄（僅為攪拌針的直徑）、搭接界面鉤狀缺陷（圖1（b））[10]、空洞缺陷、吻合連接缺陷等[19]，同時(shí)層間打磨影響增材制造的連續(xù)性，這些缺陷與焊接參數(shù)的選擇、工具形狀尺寸等因素有關(guān)[20-21]。因此，需要采用新的方法盡量避免或削弱上述缺陷對(duì)增材質(zhì)量的影響。

3 采用空心工具與棒材送給的攪拌摩擦沉積增材（AFSD）技術(shù)

與攪拌摩擦搭接增材相比，攪拌摩擦沉積增材具有能連續(xù)增材的優(yōu)點(diǎn)，目前有棒材沉積與絲材沉積兩種方式，兩者在工具設(shè)計(jì)、增材材料形狀、增材材料送進(jìn)方式方面存在顯著差別。添加棒材沉積式攪拌摩擦增材（additive friction stir deposition，AFSD）是美國(guó)MELD 公司開(kāi)發(fā)的固相增材專利技術(shù)，最早出現(xiàn)的AFSD 技術(shù)采用棒材作為進(jìn)給材料，同時(shí)配套采用中空式無(wú)針軸肩作為攪拌工具，其原理如圖2 所示[22]。其核心技術(shù)有3 個(gè)方面：一是工具方面，所用軸肩為空心型軸肩，這是根本性的創(chuàng)新點(diǎn)所在；二是增材原材料形狀為實(shí)心棒狀（圓形截面或方型截面）；三是從頂部加壓，保證原材料的連續(xù)送給。該工藝具有較好的連續(xù)性，表現(xiàn)在2 個(gè)方面，一是同一個(gè)棒料可連續(xù)送給；二是下一個(gè)棒料在前一個(gè)棒料尚未完全消耗完之前就可以投入軸肩空心內(nèi)，保證不間斷進(jìn)行增材制造。

圖2 采用中空無(wú)針工具與棒材實(shí)現(xiàn)AFSD技術(shù)原理示意圖

在AFSD 工藝過(guò)程中，首先由填料腔上方的進(jìn)給桿隨刀具旋轉(zhuǎn)并向母材方向進(jìn)給，填料棒在這個(gè)過(guò)程中與母材接觸，通過(guò)摩擦產(chǎn)生熱量，摩擦熱使填料棒軟化后填充在工具與母材之間的空隙處，在摩擦熱和大塑性變形的共同作用下，填料棒與母材間形成冶金結(jié)合；當(dāng)沉積過(guò)程穩(wěn)定后，工具開(kāi)始按照預(yù)設(shè)的數(shù)控程序運(yùn)行，最終獲得目標(biāo)所需的增材體。在工藝過(guò)程中，主要參數(shù)包括工具轉(zhuǎn)速、工具行進(jìn)速度、粉材或棒材進(jìn)料速度、工具形狀等[23]。

與FSAM 采用已有板材進(jìn)行逐層搭接實(shí)現(xiàn)增材制造過(guò)程的思路不同，添加棒材沉積式攪拌摩擦增材（AFSD）技術(shù)是使用特殊的空心軸肩攪拌頭作為工具，直接將棒材送入空心無(wú)針工具中，通過(guò)在添加棒材頂部施加軸向壓力，在無(wú)針軸肩旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱-力作用下實(shí)現(xiàn)連續(xù)增材的工藝方法。根據(jù)送進(jìn)材料的形狀與送料方法的不同，可以將現(xiàn)在主流的AFSD 技術(shù)分為兩種：①直接送入棒材實(shí)現(xiàn)增材的AFSD 技術(shù)；②先將粉材、短絲材、切屑和絲材預(yù)壓成較緊密的棒形坯料（可避免加壓時(shí)失穩(wěn)）再進(jìn)行增材的AFSD技術(shù)。

該技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是所設(shè)計(jì)的工具為無(wú)針空心軸肩，將金屬棒材提前放入特制的空心軸肩中，并同時(shí)施加軸向壓力。棒料較粗，更方便加壓，避免了細(xì)絲情況下加壓易出現(xiàn)失穩(wěn)變形的問(wèn)題。無(wú)針空心軸肩的設(shè)計(jì)既解決了材料的送給問(wèn)題，又可直接將增材材料送至摩擦區(qū)中心。中心施壓一是保證了棒料端面與基材表面之間的接觸摩擦；二是保證驅(qū)動(dòng)棒料能從工具端面與基材表面之間的縫隙流出，受壓材料優(yōu)先向阻力小的前方間隙流動(dòng)。通過(guò)軸肩的摩擦熱使得棒材達(dá)到塑性狀態(tài)，通過(guò)軸向壓力與攪拌頭行進(jìn)時(shí)的軸肩壁厚部位的摩擦、拖拉、碾壓綜合作用使塑性狀態(tài)的材料均勻地沉積在基材表面[24]；同時(shí)，作為原材料的棒材在軸向壓力的作用下緩慢送進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)增材制造過(guò)程。

MELD 公司提出的AFSD 技術(shù)還有選材范圍廣、對(duì)原材料形狀限制小的特點(diǎn)。Agrawalp 等[25]將回收的Ti-6Al-4V 切屑用于AFSD 技術(shù)，采用WC 耐磨耐高溫工具，獲得了具有優(yōu)異性能的TC4 金屬。Beck 等[26]使用AFSD 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)Al-Mg-Mn 合金切屑的直接回收，最終所得的樣品與原本的合金具有近似的力學(xué)性能。Babaniaris 等[27]使用切屑重新制造了AA6063 合金，測(cè)試發(fā)現(xiàn)得到的樣品與原合金具有近似的力學(xué)性能。這表明ASFD 在綠色制造方面具有廣闊的前景。此外，除了常規(guī)的鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金外，Agrawal等[28]使用AFSD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)CS-HEA 高熵合金（Fe40Mn20Co20Cr15Si5）的增材制造，所得成品的屈服強(qiáng)度可達(dá)450 MPa，具有優(yōu)異的抗拉性能。

在水下使用AFSD 技術(shù)制造一些結(jié)構(gòu)或?qū)σ延薪Y(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)的思路也在近年被提出。傳統(tǒng)增材制造方法由于存在熔化與凝固過(guò)程，在水下熔池難以保持穩(wěn)定[29]；而在AFSD 技術(shù)中，材料的進(jìn)給和沉積過(guò)程由機(jī)械力作用實(shí)現(xiàn)，受到水的影響較小，因此在水下操作方面具有一定前景。Griffiths 等[30]在AFSD 設(shè)備下方安裝了水槽，實(shí)現(xiàn)了在深度50 mm 的水下以304 不銹鋼作為基材和沉積材料的攪拌摩擦沉積增材，證實(shí)了水下AFSD的可能性。

4 連續(xù)絲材送進(jìn)攪拌摩擦沉積增材（AFSD）技術(shù)

MELD 公司開(kāi)發(fā)的添加棒材AFSD 技術(shù)在今年得到廣泛關(guān)注，但是由于使用的棒材要提前預(yù)置在設(shè)備內(nèi)部，棒材消耗完后需要從中空軸肩中抽出壓頭停機(jī)補(bǔ)充棒料，并需要重新進(jìn)行裝夾，從而使送料過(guò)程不具備連續(xù)性[31]，因此，需要開(kāi)發(fā)一種能夠連續(xù)送料的攪拌摩擦沉積增材技術(shù)，采取絲材連續(xù)送進(jìn)的方式進(jìn)行送料可以保證送料過(guò)程的連續(xù)性。應(yīng)該指出，以絲材為原材料進(jìn)行AM 時(shí)，送絲方式與電弧焊的自動(dòng)送絲方式類似，軟質(zhì)絲應(yīng)采用“拉絲”方式送給，硬質(zhì)絲可采用“推絲”方式。對(duì)于軟質(zhì)的鋁絲而言，應(yīng)采用拉絲方式送給，否則采用推絲、壓絲類方式會(huì)引起旁彎失穩(wěn)變形。

攪拌摩擦沉積增材（AFSD）技術(shù)中，工具設(shè)計(jì)是核心技術(shù)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃永憲研究團(tuán)隊(duì)在2022 年最早報(bào)道了以絲材為原材料的攪拌摩擦沉積增材技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一套以絲材作為沉積材料的攪拌摩擦增材系統(tǒng)，該系統(tǒng)由用于填充和儲(chǔ)存絲材的儲(chǔ)料腔、用于將絲材熱塑化并連續(xù)擠壓進(jìn)行攪拌處理的攪拌頭和連續(xù)送絲機(jī)三部分組成，其原理如圖3 所示。通過(guò)這套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)增材制造的過(guò)程可以被分為絲材輸送、材料熱塑化、增材成形三個(gè)階段，絲材由送絲機(jī)經(jīng)儲(chǔ)料腔側(cè)面的通孔送入內(nèi)部槽中，由螺桿上的矩形螺紋將其裁剪成多個(gè)段狀金屬顆粒，段狀顆粒沿螺紋逐漸向下運(yùn)動(dòng)并在儲(chǔ)料腔中積累，段狀材料逐漸被壓緊并在熱作用下逐漸達(dá)到塑化狀態(tài)，塑性狀態(tài)的金屬材料組織與成分在受到攪拌頭底部攪拌針的攪拌作用變得更加均勻，最后實(shí)現(xiàn)增材成形。在增材過(guò)程中通過(guò)不斷改變機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)行進(jìn)的方向，重復(fù)這一過(guò)程使結(jié)構(gòu)達(dá)到目標(biāo)高度，最終得到了具有良好力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)。采用直徑2.4 mm 的AA4043 鋁合金絲材，在3 mm 厚的基板上得到的增材體，抗拉強(qiáng)度可達(dá)287.3 MPa[8]。該團(tuán)隊(duì)目前在工具研發(fā)方面持續(xù)推進(jìn)，設(shè)計(jì)、改進(jìn)了一系列用于優(yōu)化最終增材體性能的增材工具，包括使用強(qiáng)制液冷的方法去除表面切屑[32]、使用彈性機(jī)構(gòu)連接攪拌工具的旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)部位的浮動(dòng)式工具對(duì)零件表面進(jìn)行增材修復(fù)[33]、通過(guò)外加超聲振動(dòng)系統(tǒng)消除增材過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力等[34]。

圖3 以絲材為原料的攪拌摩擦沉積增材技術(shù)示意圖

Bor 等[35]將此增材方法稱為攪拌螺紋擠壓增材制造。他們以相似的思路設(shè)計(jì)了另外一種攪拌摩擦沉積增材系統(tǒng)，也采取了將絲材從徑向儲(chǔ)料腔沿徑向送入的方式，通過(guò)錐形帶螺紋的攪拌頭將絲材擠壓、塑化并送至基材表面，實(shí)現(xiàn)增材制造。

為了消除攪拌摩擦焊接T 形接頭的部分缺陷，天津大學(xué)李東曉、楊新岐等自主研制了一種填絲靜止軸肩攪拌頭（如圖4 所示），實(shí)現(xiàn)了在攪拌摩擦焊過(guò)程中連續(xù)送進(jìn)絲材[36]，這種模式也可以用于AFSD 技術(shù)解決送料不連續(xù)的問(wèn)題。楊新岐等還設(shè)計(jì)了針對(duì)攪拌摩擦增材制造產(chǎn)品的后處理方法，采用控制溫度進(jìn)行熱處理，通過(guò)初步深冷處理、初步消應(yīng)力處理、固溶處理、二次深冷處理、深冷形變處理、二次消應(yīng)力處理、時(shí)效處理的循環(huán)過(guò)程降低殘余應(yīng)力并細(xì)化晶粒，從而提高鋁基增材體的性能[37]。此外，天津大學(xué)崔雷等設(shè)計(jì)了將絲材送料盤置于攪拌工具上方的連續(xù)擠壓同軸送料裝置，將絲材直接從工具上方送入，實(shí)現(xiàn)連續(xù)同軸送料，從而提高了增材效率[38]。這種送料方式與前文中提到的黃永憲團(tuán)隊(duì)、楊新岐團(tuán)隊(duì)側(cè)向送料的形式不同，是一種新的設(shè)計(jì)思路。

圖4 填絲T形接頭工具示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)有的攪拌摩擦增材制造技術(shù)中，“實(shí)心軸肩+板材”的攪拌摩擦增材技術(shù)最早被提出，但由于該方法加工方式的特殊性存在一些缺點(diǎn)，導(dǎo)致其發(fā)展受到一定限制；而以“空心軸肩+棒材”的攪拌摩擦沉積增材技術(shù)、“空心軸肩+絲材”的攪拌摩擦沉積增材技術(shù)在近些年受到廣泛的關(guān)注，這兩種攪拌摩擦增材方法具有可連續(xù)增材的優(yōu)越性，目前已被一些機(jī)構(gòu)用于裝置修復(fù)、零件制造等領(lǐng)域。連續(xù)絲材送進(jìn)攪拌摩擦增材的核心技術(shù)在于工具與送絲方式的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，近年哈工大黃永憲團(tuán)隊(duì)在相關(guān)裝置、設(shè)備方面做出了一系列研究，目前以絲材作為沉積材料的攪拌摩擦增材技術(shù)正在逐步發(fā)展并趨于成熟，未來(lái)這種方法具有更加廣泛的應(yīng)用前景。