荷蘭特文特大學(xué)《JOM》采用摩擦螺桿擠出增材制造的AA6060固態(tài)增材制造！

來(lái)源： 增材在線

對(duì)于許多由于冶金問(wèn)題而無(wú)法通過(guò)基于熔合的方法進(jìn)行加工的沉淀型鋁合金來(lái)說(shuō)，固態(tài)增材制造是一種有價(jià)值的替代方案。2023年8月17日，荷蘭特文特大學(xué)的研究人員在《JOM》期刊發(fā)表最新研究成果“SolidStir Additive Manufacturing: A Novel Deformation-Based Additive Manufacturing Using Friction Stir Technology”，采用新開(kāi)發(fā)的固態(tài)摩擦螺桿擠出增材制造(FSEAM)方法來(lái)研究AA6060T6的加工性能與打印速度的關(guān)系。

在這項(xiàng)工作中，通過(guò)沉積50層1毫米厚、14毫米寬和150毫米長(zhǎng)的沉積層，以100毫米/分鐘至250毫米/分鐘的打印速度制造了各種壁狀結(jié)構(gòu)。橫截面中未觀察到重大缺陷，所有結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)均顯示平均尺寸為2-4μm的等軸晶粒。在層的沉積方向上提取的所有拉伸測(cè)試樣本都獲得了有希望的機(jī)械性能。對(duì)于沿構(gòu)建方向提取的樣本，只有用足夠高的法向力制造的構(gòu)建件才能確保連續(xù)沉積層之間的正確粘合，從而顯示出與沉積方向相似的結(jié)果。制造過(guò)程中獲得的相對(duì)較高的溫度導(dǎo)致150-250mm/min樣品的強(qiáng)化沉淀物溶解，如鋸齒狀屈服效應(yīng)所示。這些樣品的制造后熱處理成功，部分恢復(fù)了原料硬度。

圖1. (a) FSEAM 設(shè)置、(b) 工具間隙（外殼壁和螺釘之間的垂直距離）以及 FSEAM 的附加支撐邊緣（可提高打印精度）的示意圖。

圖2. (a) 使用 AA6060 T6 作為原料，通過(guò) FSEAM 工藝在 AA2024 基板上構(gòu)建的印刷 AA6060 的宏觀圖像。構(gòu)建兩側(cè)的黑色虛線矩形表示構(gòu)建的較大寬度，這是由于在開(kāi)始新層沉積之前打印頭在 z 方向上的垂直移動(dòng)相對(duì)較慢。(b) 200 毫米/分鐘構(gòu)建的表面質(zhì)量的更多細(xì)節(jié)，描繪了具有相當(dāng)均勻邊緣的相對(duì)光滑的表面。(c) 以 100 毫米/分鐘的低打印速度制造的模型的表面質(zhì)量，呈現(xiàn)出波浪狀邊緣和不均勻的外觀。

圖3. (a) 以 100 毫米/分鐘、150 毫米/分鐘、200 毫米/分鐘和 250 毫米/分鐘的不同打印速度制造的模型的橫截面概覽圖。比例尺對(duì)所有構(gòu)建都有效。(b) 制造結(jié)構(gòu)的整體橫截面，帶有黑色虛線矩形，表示 (a) 中所示的更詳細(xì)研究的區(qū)域。(c) 由于后續(xù)層之間的粘合質(zhì)量低而在 100 毫米/分鐘的低打印速度下經(jīng)常觀察到的制造缺陷，如白色箭頭所示。(d) 在 250 mm/min 的打印速度下，沉積層之間無(wú)重大缺陷且結(jié)合狀況良好。

關(guān)鍵結(jié)論

在這項(xiàng)研究工作中，采用新開(kāi)發(fā)的FSEAM工藝作為固態(tài)增材制造方法來(lái)制造AA6060 T6的結(jié)構(gòu)，并研究100毫米/分鐘至250毫米/分鐘的不同打印速度對(duì)可加工性、微觀結(jié)構(gòu)和研究了機(jī)械性能。

結(jié)果表明，通過(guò)在高溫下施加足夠的法向力，可以通過(guò)連續(xù)沉積層來(lái)制造沒(méi)有宏觀缺陷的固體結(jié)構(gòu)。微觀結(jié)構(gòu)分析顯示平均尺寸為2-4μm的細(xì)等軸晶粒，沒(méi)有可檢測(cè)到的晶體結(jié)構(gòu)。

在沉積方向（水平）和構(gòu)建方向（垂直）上進(jìn)行的拉伸測(cè)試結(jié)果顯示，作為打印速度的函數(shù)，拉伸強(qiáng)度值從120MPa增加到145MPa，斷裂伸長(zhǎng)率從30%減少到25%。水平拉伸樣品獲得了最佳性能，而垂直樣品的結(jié)果強(qiáng)烈依賴于工藝溫度和施加的法向力。構(gòu)建方向上250毫米/分鐘的樣品顯示出有希望的結(jié)果，這可能是因?yàn)楹罄m(xù)層之間充分混合并且不存在非粘合區(qū)域。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，根據(jù)AA6060成分的偽二元Al-(Mg,Si)相圖，在足夠高的溫度下制造的結(jié)構(gòu)存在鋸齒狀屈服，以達(dá)到單相區(qū)域。

制造結(jié)構(gòu)的硬度值受到FSEAM工藝的熱機(jī)械性質(zhì)的影響。因此，觀察到硬度從T6條件下的80HV降低到竣工條件下的40HV。當(dāng)初始工藝溫度足夠高以溶解沉淀物并增加顯微組織中溶質(zhì)原子/原子簇的量時(shí)，特別是當(dāng)工藝引起的再加熱時(shí)間相對(duì)較短時(shí)，制造后熱處理部分提高了硬度。

對(duì)于具有小的裂紋狀沉積缺陷的樣品，觀察到剪切狀斷裂模式，而不是延性的、富含韌窩的斷裂表面，這證實(shí)了樣品在垂直構(gòu)建方向上的拉伸測(cè)試的初步失效。

FSEAM 工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提高打印狀態(tài)下的機(jī)械性能，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的后處理熱處理。

論文引用：
Rezaeinejad, S.S., Strik, D.H., Visser, R.M. et al. Solid-State Additive Manufacturing of AA6060 Employing Friction Screw Extrusion Additive Manufacturing. JOM (2023). https://doi.org/10.1007/s11837-023-06053-5