綜述：航空航天結(jié)構(gòu)合金攪拌摩擦增材制造技術(shù)研究

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

土耳其馬爾馬拉大學(xué)、伊斯肯德倫技術(shù)大學(xué)、蓋迪克大學(xué)的科研人員報道了關(guān)于航空航天結(jié)構(gòu)合金攪拌摩擦增材制造研究進(jìn)展。相關(guān)論文以“A comprehensive review on friction stir additive manufacturing of various structural alloys for aerospace applications”為題發(fā)表在《Progress in Additive Manufacturing》上。

增材制造技術(shù)因其能夠成型復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)而備受航空航天領(lǐng)域青睞。然而傳統(tǒng)熔融金屬增材存在的孔隙、夾雜、偏析、內(nèi)部空穴及熱裂紋等問題，催生了固態(tài)攪拌摩擦增材制造（FSAM）技術(shù)的發(fā)展。該技術(shù)通過融合攪拌摩擦焊與增材工藝，在消除凝固缺陷、制備高性能無缺陷構(gòu)件方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，尤其適用于航空航天用鋁鎂合金部件制造。本文系統(tǒng)探討FSAM在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析鋁鎂合金加工優(yōu)勢與技術(shù)挑戰(zhàn)，并展望其未來發(fā)展方向。隨著研究的深入與技術(shù)進(jìn)步，該技術(shù)有望在航空航天制造中獲得更廣泛應(yīng)用。

圖1a液氧法蘭，b阿麗亞娜6號火箭Vulcain 2.1演示噴管，c空客A350 XWB首個增材制造鈦合金支架連接件

圖2 NASA HR-1集成流道噴管

圖3采用FSAM在P92鋼壓力容器上制備MA956強(qiáng)化環(huán)，提高抗蠕變性能示意圖

圖4 FSAM工藝原理示意圖

圖5 FSAM工藝流程步驟

圖6不同轉(zhuǎn)速下攪拌區(qū)瞬態(tài)溫度場分布：a 600 rpm，b 800 rpm（橫向速度60 mm/min）

圖7FSAM成型試件宏觀/顯微組織

圖8不同工藝參數(shù)成型FSAM結(jié)構(gòu)宏觀形貌：a 1400/102，b 800/102（白色虛線標(biāo)示原始界面位置）

圖9 a三塊鈦板FSAM成型Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu)，b成型板橫截面，c熔核區(qū)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，d拉伸試樣斷口形貌

圖10 a三塊P92鋼板FSAM成型過程，b最終成型件

圖11FSAM成型鋼試樣：a熔核/熱影響/母材分區(qū)橫截面，b熔核區(qū)板條細(xì)晶組織，c母材未回火細(xì)晶馬氏體

圖12 a,b鎂基功能梯度材料FSAM制備設(shè)計圖，c,d增材層橫截面光學(xué)宏觀圖像

圖13 a FSAM成型5083-O/6061-T6/SiC宏觀形貌，b-e不同位置光學(xué)/SEM顯微圖像

技術(shù)優(yōu)勢與現(xiàn)存不足
本研究系統(tǒng)綜述了攪拌摩擦增材制造（FSAM）技術(shù)在航空航天材料制備中的應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了成型件的微觀組織與力學(xué)性能。現(xiàn)有研究表明：相較于母材，F(xiàn)SAM成型件的強(qiáng)度與延展性均顯著提升。劇烈塑性變形誘導(dǎo)的晶粒細(xì)化效應(yīng)，可使材料硬度與強(qiáng)度達(dá)到甚至超越傳統(tǒng)減材制造（高材料損耗工藝）的水平。該技術(shù)還能在較短時間內(nèi)制備出具有等軸細(xì)晶組織、優(yōu)異力學(xué)性能的無缺陷構(gòu)件，有效解決了熔融增材的技術(shù)缺陷。但需注意，F(xiàn)SAM工藝參數(shù)必須精確調(diào)控以獲得理想性能——當(dāng)熱輸入不足或過量時，會引發(fā)缺陷并降低性能。由于攪拌摩擦工藝通常在材料熔點(diǎn)的0.6-0.9倍溫度區(qū)間進(jìn)行，參數(shù)優(yōu)化需滿足該溫度條件。此外，通過熱處理等后處理工藝可進(jìn)一步優(yōu)化FSAM構(gòu)件的力學(xué)性能。

FSAM的逐層堆積特性使其具備顯著環(huán)保與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢：作為固態(tài)工藝，無需金屬熔凝過程，能大幅降低能耗與二氧化碳排放；除鎂合金外通常無需保護(hù)氣體，進(jìn)一步減少環(huán)境負(fù)荷。材料利用率高與熱變形小的特點(diǎn)，更突顯其可持續(xù)制造優(yōu)勢。這些特性使FSAM成為航空航天領(lǐng)域替代傳統(tǒng)熔融工藝的理想選擇。

該技術(shù)仍存在局限性：雖在鋁鎂合金等低熔點(diǎn)材料中表現(xiàn)優(yōu)異，但應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)用高溫合金等材料時，會因高黏度與復(fù)雜相變面臨挑戰(zhàn)。此外，F(xiàn)SAM難以成型復(fù)雜幾何特征（如凸起結(jié)構(gòu)/內(nèi)腔），需開發(fā)多軸聯(lián)動系統(tǒng)與復(fù)合制造技術(shù)予以解決。

表面質(zhì)量是另一關(guān)鍵問題：FSAM構(gòu)件常需后處理達(dá)到理想表面狀態(tài)。鎂/鈦等易氧化合金的加工還需保護(hù)氣體防氧化。值得注意的是，現(xiàn)有研究多聚焦鋁鎂合金在靜態(tài)載荷（硬度/拉伸強(qiáng)度）下的表現(xiàn)，而對其動態(tài)載荷性能（疲勞/沖擊/熱循環(huán)）的研究明顯不足。

發(fā)展前景
盡管FSAM屬于新興技術(shù)，其發(fā)展已取得顯著進(jìn)展。但目前仍缺乏對工藝參數(shù)-性能關(guān)聯(lián)性的深入認(rèn)知，且研究多集中于靜態(tài)力學(xué)性能，循環(huán)載荷下的失效行為研究稀缺。通過參數(shù)優(yōu)化制備無缺陷等軸細(xì)晶構(gòu)件，可有效提升層狀材料的性能表現(xiàn)。未來亟需加強(qiáng)動態(tài)載荷（高/低周疲勞、沖擊、熱循環(huán)）研究，這對強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)完整性的航空航天應(yīng)用尤為重要。

FSAM在制備高強(qiáng)度低孔隙率輕量化構(gòu)件（特別是鋁鎂合金）方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，被視為實(shí)現(xiàn)簡單幾何構(gòu)件高性能輕量化制造的潛在固態(tài)工藝。預(yù)計其長期使用性能將比肩傳統(tǒng)制造技術(shù)。該技術(shù)在金屬基復(fù)合材料（MMCs）領(lǐng)域潛力突出：通過在鋁合金基體中引入碳化硅（SiC）/硼化鋁（AlB₄）等陶瓷增強(qiáng)相，可制備具有更高強(qiáng)度、耐磨與耐蝕性的MMC部件，這將顯著拓展其在汽車、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。


論文鏈接：
Bozkurt, Y., Avşar, A., Korgancı, M. et al. A comprehensive review on friction stir additive manufacturing of various structural alloys for aerospace applications. Prog Addit Manuf (2025). https://doi.org/10.1007/s40964-025-01160-y