天津大學(xué)成功開發(fā)固相摩擦擠壓增材制造技術(shù)及設(shè)備

作者：楊新岐（天津大學(xué) ）

南極熊導(dǎo)讀：天津大學(xué)楊新岐教授已開發(fā)成功固相摩擦擠壓增材制造技術(shù)及設(shè)備，基于美國(guó)MELD的工藝原理，已成功實(shí)現(xiàn)增材制樣制備。

攪拌摩擦增材制造(Friction Stir Additive Manufacturing, FSAM)與固相摩擦擠壓增材制造(Friction Extrusion Additive Manufacturing , FEAM)是近年來(lái)基于摩擦焊原理開發(fā)的創(chuàng)新金屬固相增材制造技術(shù)，它利用分層累積與摩擦擠壓塑性變形加工原理實(shí)現(xiàn)金屬沉積過程。在增材制造中金屬材料不發(fā)生熔化與凝固現(xiàn)象，克服了熔焊增材工藝中不可避免地會(huì)出現(xiàn)孔隙、未熔合及熱裂紋等必須通過增材組織調(diào)控、焊后熱處理、熱等靜壓及機(jī)械輥壓等手段無(wú)法完全消除的各種冶金缺陷，其增材沉積層具有鍛造組織特征和優(yōu)異力學(xué)性能，因而在高性能鋁鎂等輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。

△天津大學(xué)固相摩擦焊研究室-固相摩擦擠壓增材制造

在國(guó)外美國(guó)Aeroprobe公司2018年首次公開了他們研制開發(fā)的固相增材制造3D打印設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了填充材料自主沉積的固相增材制造過程，并采用新術(shù)語(yǔ)“MELD”表征這種創(chuàng)新金屬增材工藝[1]。由于MELD在金屬增材制造領(lǐng)域具有顯著技術(shù)先進(jìn)性和獨(dú)創(chuàng)性，2018年該技術(shù)獲得美國(guó)R&D100科技創(chuàng)新獎(jiǎng)及NASA的研究資助，2019年國(guó)內(nèi)媒體等單位均報(bào)道了這種創(chuàng)新固相增材技術(shù)。但由于涉及到知識(shí)產(chǎn)權(quán)及專利技術(shù)獨(dú)占性，目前在國(guó)內(nèi)除有關(guān)實(shí)現(xiàn)填充材料的摩擦擠壓增材工藝原理介紹外，尚未見到MELD設(shè)備及工藝研究的詳細(xì)報(bào)道(圖1示)。

   

(a) 固相摩擦擠壓增材工藝原理                   (b) MELD增材制造設(shè)備

圖1 美國(guó)Aeroprobe公司開發(fā)的摩擦擠壓增材制造設(shè)備(2018年)

2018年天津大學(xué)楊新岐教授課題組在國(guó)家自然基金項(xiàng)目《高性能輕合金攪拌摩擦增材制造成形機(jī)理及組織控制》資助下(51775371)，對(duì)高性能鋁鎂輕質(zhì)合金的攪拌摩擦增材制造(FSAM)工藝中增材成形機(jī)理、組織控制及力學(xué)性能進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究[2]；尤其在固相摩擦擠壓增材制造(FEAM)工藝方面獲得突破性進(jìn)展，2020年在國(guó)內(nèi)獨(dú)立設(shè)計(jì)研制成功固相摩擦擠壓增材制造(FEAM)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)填充材料的主動(dòng)沉積及自由成形，增材沉積效率高并能成形幾米范圍大尺度鋁合金構(gòu)件，為深入開展固相摩擦擠壓增材制造(FEAM)關(guān)鍵技術(shù)研究及開發(fā)工業(yè)化裝備提供重要基礎(chǔ)。

攪拌摩擦增材制造(FSAM)/固相摩擦擠壓增材制造(FEAM)基本原理
攪拌摩擦增材制造(FSAM)建立在已有攪拌摩擦搭接焊工藝基礎(chǔ)上，并結(jié)合分層疊加方式實(shí)現(xiàn)金屬零件的三維構(gòu)建，其工藝原理如圖2示：首先在基板上剛性固定每層增材薄板條，其次沿加工路徑和增材方向采用攪拌工具進(jìn)行逐層累積攪拌摩擦搭接焊制備接近成形零件，最后機(jī)械加工去掉多余材料形成最終零件形狀。FSAM沉積區(qū)完全由攪拌摩擦焊縫的焊核構(gòu)成，在攪拌摩擦加工過程中焊核依次疊加成形，因而增材內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生各種熔化凝固冶金缺陷、具有完全致密細(xì)小等軸晶組織特征和優(yōu)異力學(xué)性能。

FSAM工藝的優(yōu)勢(shì)是不需要開發(fā)專用增材設(shè)備，采用傳統(tǒng)攪拌摩擦焊機(jī)就可實(shí)現(xiàn)增材制造，但需要針對(duì)具體構(gòu)件設(shè)計(jì)加工專用工裝夾具，其中實(shí)現(xiàn)搭接焊的攪拌工具形狀、工藝參數(shù)及不同鋁合金塑性流動(dòng)特征是影響沉積層界面連接機(jī)制及缺陷形成的關(guān)鍵因素。但由于FSAM 不能實(shí)現(xiàn)填充材料的自主沉積和自由成形，其工藝過程需要額外加工增材薄板條及繁瑣剛性?shī)A具固定等，使得FSAM 在工業(yè)化應(yīng)用中有較大局限性。

圖 2  攪拌摩擦增材制造(FSAM)工藝原理示意[2]

固相摩擦擠壓增材制造(FEAM)建立在軸肩輔助摩擦堆焊工藝基礎(chǔ)上[3]，同樣結(jié)合分層疊加方式實(shí)現(xiàn)金屬零件的三維構(gòu)建，其工藝原理如圖3示：非消耗軸肩與基板表面保持給定間隙(增材層厚度)，填充棒料受到軸向壓力作用與軸肩同時(shí)旋轉(zhuǎn)并持續(xù)摩擦擠壓基板表面，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦熱和剪切塑性變形導(dǎo)致材料軟化產(chǎn)生塑性流動(dòng)、填充軸肩與基板表面之間的間隙；隨著軸肩沿基板表面橫向移動(dòng)被軟化材料與基板產(chǎn)生冶金連接、并沉積在基板表面形成增材層；沿給定加工路徑重復(fù)上述操作即可形成單道多層或多道多層增材構(gòu)件。為了實(shí)現(xiàn)固相摩擦擠壓增材制造(FEAM)工藝過程，必須設(shè)計(jì)研制專用的增材設(shè)備，其中實(shí)現(xiàn)填充棒料給進(jìn)的主軸頭及軸向送料系統(tǒng)是FEAM增材設(shè)備研制的關(guān)鍵內(nèi)容。

圖3 固相摩擦擠壓增材制造(FEAM)工藝過程示意(a)增材沉積開始；(b)第1層沉積結(jié)束；

     (c)第2層沉積結(jié)束；(d)實(shí)際增材沉積單道多層試樣[4]

攪拌摩擦增材制造(FSAM)與固相摩擦擠壓增材制造(FEAM)均建立在摩擦焊原理基礎(chǔ)上，但其工藝過程有本質(zhì)區(qū)別：FSAM是采用非消耗攪拌工具“摩擦擠壓攪拌”被加工材料，其摩擦熱源是非消耗攪拌工具與被加工材料的“摩擦擠壓攪拌”作用而產(chǎn)生的，這樣為產(chǎn)生摩擦熱源必須對(duì)被加工材料施加剛性固定才能實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦加工過程，不能實(shí)現(xiàn)增材制造自由成形；而FEAM是采用消耗填充棒料自身“摩擦擠壓”基板，消耗填充棒料既產(chǎn)生摩擦熱源又是被加工材料，由于摩擦擠壓使得填充棒料軟化后直接沉積到基板上形成增材，可以實(shí)現(xiàn)增材制造自由成形，在沉積過程中消耗棒料將受到強(qiáng)烈摩擦擠壓剪切塑性變形作用，但沒有攪拌工具的攪拌摩擦作用。由于“摩擦與擠壓”是表示該工藝的關(guān)鍵特征，因此采用術(shù)語(yǔ)“Friction Extrusion Additive Manufacturing, FEAM”，其對(duì)應(yīng)意譯為“固相摩擦擠壓增材制造”表征這種特色金屬固相增材制造技術(shù)[5]，以有效反映摩擦擠壓塑性成形的強(qiáng)烈熱-力耦合冶金加工特征。

固相摩擦擠壓增材制造(FEAM)的顯著特征
與目前熔焊金屬增材制造比較，F(xiàn)EAM具有以下顯著特征：
1)、增材金屬不存在熔化凝固現(xiàn)象、有效避免增材內(nèi)部孔隙、未熔合及熱裂紋等冶金缺陷，增材內(nèi)部殘余應(yīng)力低、增材宏觀力學(xué)性能可達(dá)到甚至超過母材性能，是目前實(shí)現(xiàn)高性能鋁鎂合金增材制造的最有效方法；
2)、增材制造成本低，在打印狀態(tài)下就可獲得完全致密具有細(xì)小等軸晶鍛造組織特征，而不是熔焊工藝的粗大柱狀晶組織特征，不需要后續(xù)熱處理或熱等靜壓處理。操作空間是大氣環(huán)境不需要惰性氣體或真空室環(huán)境；采用工業(yè)上廣泛應(yīng)用的鋁合金材料、不需要為增材工藝專門開發(fā)的特殊粉末材料；
3)、采用實(shí)體金屬棒料進(jìn)行增材、沉積速率高，對(duì)鋁合金其沉積速率可達(dá)到(1400cm3/hour)。增材過程受環(huán)境及材料的隨機(jī)因素影響小、重復(fù)性高；
4)、可實(shí)現(xiàn)熔焊工藝很難焊接的鋁合金增材制造，如2024、7075及鋁鋰合金等，尤其在異種鋁合金等金屬增材制造方面具有明顯優(yōu)勢(shì)；
5)、可制備較大尺寸增材構(gòu)件、加工尺寸達(dá)到米(m)度量范圍；
6)、可實(shí)現(xiàn)鋁合金增材、涂層、連接、修復(fù)及再制造多種加工工藝過程，制備鋁基復(fù)合材料及功能梯材料，具有廣泛工藝適用性；
7)、增材設(shè)備所需功率明顯低于熔焊金屬增材制造技術(shù)；增材過程能耗低、安全高效及綠色環(huán)保，無(wú)激光粉塵等危險(xiǎn)因素與環(huán)境污染。

圖3表示天津大學(xué)固相摩擦焊研究室研制開發(fā)的固相摩擦擠壓增材制造試驗(yàn)設(shè)備及技術(shù)參數(shù)，圖4表示制備的各種形式鋁合金增材試樣，圖5-6表示鋁合金6061-T6增材內(nèi)部及界面組織特征，與原始母材晶粒尺寸(22.911.5m)比較，增材內(nèi)部達(dá)到8.8-6.1m細(xì)晶組織特征，在摩擦擠壓界面附近由于剪切塑性變形更劇烈、其等軸晶粒尺寸更為細(xì)小達(dá)到4.0-6.5m尺度范圍。

圖4 固相摩擦擠壓增材制造設(shè)備及試驗(yàn)工作平臺(tái)(2020年)

技術(shù)參數(shù)：
1).增材設(shè)備主軸頭轉(zhuǎn)速在0-3000rpm；
2).增材棒料軸向頂鍛壓力在0-100kN；
3).增材原始填充材料為實(shí)心棒料，其直徑為10-20mm、長(zhǎng)度為200-300mm；
4).增材機(jī)床設(shè)備工作平臺(tái)操作空間為15001000800mm；三維(x,y,z)軸焊接速度在0-1000mm/sec范圍；操作空間為大氣工作環(huán)境；
5).增材鋁合金6061、5083及7075。

圖5 不同增材條件下各種固相摩擦擠壓鋁合金增材試樣(2020-2021年)

圖6 不同狀態(tài)6061鋁合金增材試樣EBSD分析；(a)(b)(c)打印態(tài)；(d)(e)(f)熱處理態(tài)；

(a)(d)第二層中間；(b)(e)沉積層界面；(c)(f)第一層中間

圖7 不同狀態(tài)6061鋁合金增材試樣晶粒尺寸；(a)(b)(c)打印態(tài)；(d)(e)(f)熱處理態(tài)；

(a)(d)第二層中間；(b)(e)沉積層界面；(c)(f)第一層中間

固相摩擦擠壓增材制造(FEAM)應(yīng)用前景
實(shí)現(xiàn)填充材料的固相摩擦擠壓增材制造工藝是目前最為先進(jìn)的金屬增材制造技術(shù)，由于可以有效避免熔化凝固孔隙、未熔合及熱裂紋等增材缺陷，該金屬增材技術(shù)將是獲得輕質(zhì)合金完全致密與高性能增材的最有效工藝方法，在輕量化鋁鎂合金結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。具體的應(yīng)用前景如下：
1)、由于摩擦焊工藝在鋁鎂合金焊接及異種材料連接領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)，可以有效解決目前熔化工藝增材制造技術(shù)很難獲得高性能增材的局限性，為輕量化高性能輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)增材制造開辟了新途徑。與目前已有激光、電子束及電弧金屬增材制造技術(shù)比較，固相摩擦擠壓增材制造不適合加工小尺寸復(fù)雜鏤空增材構(gòu)件，但可直接應(yīng)用于大尺寸高性能鋁鎂合金整體壁板上帶加強(qiáng)筋/梁構(gòu)件/帶凸緣筋條框架/網(wǎng)格筋條壁板等簡(jiǎn)單幾何形狀承載構(gòu)件的增材制造。
2)、該工藝不僅可直接應(yīng)用于高性能輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)增材制造，還可用于異種鋁鎂合金及多種金屬材料復(fù)合的結(jié)構(gòu)增材制造，用于各種輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)件的快速現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)；用于各種功能梯度材料的制備等，為這些領(lǐng)域的新結(jié)構(gòu)和新材料開發(fā)提供了思路和新途徑。
3)、采用新型耐高溫材料制備非消耗軸肩工具，可將該工藝擴(kuò)展應(yīng)用于高溫合金如鈦合金、鎳基合金及高強(qiáng)鋼等金屬材料的增材制造領(lǐng)域，并可能獲得優(yōu)于目前激光、電子束及電弧增材制造構(gòu)件力學(xué)性能的增材構(gòu)件，這將開辟另一種金屬材料固相摩擦增材制造新領(lǐng)域。
4)、固相摩擦擠壓增材制造設(shè)備的研制開發(fā)與商業(yè)化應(yīng)用，將在航空航天、高速客車、汽車車體及電力散熱器等各種鋁合金結(jié)構(gòu)制造及維修(再制造)領(lǐng)域開辟新市場(chǎng)需求，在許多簡(jiǎn)單承載框架結(jié)構(gòu)件方面替代目前熔化金屬增材制造技術(shù)創(chuàng)造出明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
5)、固相摩擦擠壓增材制造工藝屬于固相連接過程、不受環(huán)境因素的影響，很容易實(shí)現(xiàn)微重力、大氣及真空環(huán)境、太空環(huán)境、甚至水下環(huán)境增材制造過程，為開發(fā)極端環(huán)境下增材制造技術(shù)提供全新途徑。
6)、固相摩擦擠壓增材制造與攪拌摩擦焊技術(shù)相結(jié)合將建立摩擦擠壓增材-攪拌摩擦焊接-全新的復(fù)合摩擦擠壓成形加工工藝，為研制開發(fā)高性能鋁鎂合金增材、連接及成形制造的創(chuàng)新復(fù)合摩擦擠壓成形加工設(shè)備提供新途徑。

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