天津大學成功開發(fā)固相摩擦擠壓增材制造技術(shù)及設備

作者：楊新岐（天津大學 ）

南極熊導讀：天津大學楊新岐教授已開發(fā)成功固相摩擦擠壓增材制造技術(shù)及設備，基于美國MELD的工藝原理，已成功實現(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、熱等靜壓及機械輥壓等手段無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)域具有巨大應用潛力。

△天津大學固相摩擦焊研究室-固相摩擦擠壓增材制造

在國外美國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打印設備，實現(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“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)先進性和獨創(chuàng)性，2018年該技術(shù)獲得美國R&D100科技創(chuàng)新獎及NASA的研究資助，2019年國內(nèi)媒體等單位均報道了這種創(chuàng)新固相增材技術(shù)。但由于涉及到知識產(chǎn)權(quán)及專利技術(shù)獨占性，目前在國內(nèi)除有關(guān)實現(xiàn)填充材料的摩擦擠壓增材工藝原理介紹外，尚未見到MELD設備及工藝研究的詳細報道(圖1示)。

   

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

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

2018年天津大學楊新岐教授課題組在國家自然基金項目《高性能輕合金攪拌摩擦增材制造成形機理及組織控制》資助下(51775371)，對高性能鋁鎂輕質(zhì)合金的攪拌摩擦增材制造(FSAM)工藝中增材成形機理、組織控制及力學性能進行了深入系統(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展，2020年在國內(nèi)獨立設計研制成功固相摩擦擠壓增材制造(FEAM)設備，可以實現(xiàn)填充材料的主動沉積及自由成形，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。

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上，并結(jié)合分層疊加方式實現(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行逐層累積攪拌摩擦搭接焊制備接近成形零件，最后機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)部不會產(chǎn)生各種熔化凝固冶金缺陷、具有完全致密細小等軸晶組織特征和優(yōu)異力學性能。

FSAM工藝的優(yōu)勢是不需要開發(fā)專用增材設備，采用傳統(tǒng)攪拌摩擦焊機就可實現(xiàn)增材制造，但需要針對具體構(gòu)件設計加工專用工裝夾具，其中實現(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特征是影響沉積層界面連接機制及缺陷形成的關(guān)鍵因素。但由于FSAM 不能實現(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夾具固定等，使得FSAM 在工業(yè)化應用中有較大局限性。

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上[3]，同樣結(jié)合分層疊加方式實現(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旋轉(zhuǎn)并持續(xù)摩擦擠壓基板表面，從而產(chǎn)生強烈摩擦熱和剪切塑性變形導致材料軟化產(chǎn)生塑性流動、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。為了實現(xiàn)固相摩擦擠壓增材制造(FEAM)工藝過程，必須設計研制專用的增材設備，其中實現(xiàn)填充棒料給進的主軸頭及軸向送料系統(tǒng)是FEAM增材設備研制的關(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)生摩擦熱源必須對被加工材料施加剛性固定才能實現(xiàn)攪拌摩擦加工過程，不能實現(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，可以實現(xiàn)增材制造自由成形，在沉積過程中消耗棒料將受到強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“Friction Extrusion Additive Manufacturing, FEAM”，其對應意譯為“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)部殘余應力低、增材宏觀力學性能可達到甚至超過母材性能，是目前實現(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)、采用實體金屬棒料進行增材、沉積速率高，對鋁合金其沉積速率可達到(1400cm3/hour)。增材過程受環(huán)境及材料的隨機因素影響小、重復性高；
4)、可實現(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；
5)、可制備較大尺寸增材構(gòu)件、加工尺寸達到米(m)度量范圍；
6)、可實現(xiàn)鋁合金增材、涂層、連接、修復及再制造多種加工工藝過程，制備鋁基復合材料及功能梯材料，具有廣泛工藝適用性；
7)、增材設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，無激光粉塵等危險因素與環(huán)境污染。

圖3表示天津大學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設備及技術(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)部達到8.8-6.1m細晶組織特征，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小達到4.0-6.5m尺度范圍。

圖4 固相摩擦擠壓增材制造設備及試驗工作平臺(2020年)

技術(shù)參數(shù)：
1).增材設備主軸頭轉(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心棒料，其直徑為10-20mm、長度為200-300mm；
4).增材機床設備工作平臺操作空間為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)應用前景
實現(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)域具有巨大應用潛力。具體的應用前景如下：
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，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雜鏤空增材構(gòu)件，但可直接應用于大尺寸高性能鋁鎂合金整體壁板上帶加強筋/梁構(gòu)件/帶凸緣筋條框架/網(wǎng)格筋條壁板等簡單幾何形狀承載構(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)場修復；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，可將該工藝擴展應用于高溫合金如鈦合金、鎳基合金及高強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備的研制開發(fā)與商業(yè)化應用，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)域開辟新市場需求，在許多簡單承載框架結(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)新復合摩擦擠壓成形加工設備提供新途徑。

參考文獻
[1] Hang Z. Yu, Mackenzie E. Jones, George W. Brady, et al. Non-beambased metal additive manufacturing enabled by additive friction stir deposition[J]. Scripta Materialia，2018，153：122-130.
[2] Zijun Zhao, Xinqi Yang, Shengli Li, Dongxiao Li. Interfacial bonding features of friction stir additive manufactured build for 2195-T8 aluminum-lithium alloy[J]. Journal of Manufacturing Processes 38 (2019) 396–410.
[3] 楊新岐, 秦紅珊, 林偉. 一種實現(xiàn)帶軸肩的摩擦堆焊的主軸系統(tǒng), CN 107052560B, 2017.
[4] 唐文珅, 楊新岐, 田超博, 徐永生. 工藝參數(shù)對鋁合金固相摩擦擠壓增材組織及性能影響[J], 航空材料學報, DOI：10.11868/j.issn.1005-5053.2021.000166, 2021.
[5] 田超博, 楊新岐, 唐文珅, 徐永生. 基于摩擦擠壓增材制造單道多層6061鋁合金組織特征與力學性能[J]. 稀有金屬材料與工程(已接收待發(fā)表), 2022.