【AI读论文】一种制造高性能铝合金零件的混合热源固相增材新方法

第一作者：乔乾

通讯作者：郭达伟，林永勇，张达威，谭立武

通讯单位：澳门发展及质量研究所，航天工程装备（苏州）有限公司，北京科技大学，澳门大学

一、技术背景与挑战

• 传统金属3D打印的痛点：目前主流的激光3D打印技术，在制造过程中需要将金属熔化，容易产生气孔、热裂纹等缺陷，影响零件质量。
• 固态增材制造的兴起：一种名为“搅拌摩擦沉积增材制造（AFSD）”的技术应运而生。它在加工过程中金属不熔化，而是通过摩擦热和压力使其“软化”并层层堆积成型，从而避免了上述缺陷。
• AFSD技术面临的挑战：传统AFSD技术主要依靠机械摩擦生热，热量有时不足或不稳定，导致材料流动性差，层与层之间结合不够牢固，影响了零件整体的强度和均匀性。

二、创新解决方案：混合热源技术

研究人员提出了名为“混合热源固态增材制造（HHSAM）”的新方法。

核心原理：

在传统AFSD的机械摩擦热之外，额外引入一个感应加热线圈作为辅助热源。     

工作方式：

该线圈环绕在加工工具外侧，在整个制造过程中持续、稳定地提供热量。     

主要优势：

• 精准控温：能够更精确地控制加工温度。 
• 提升料温：显著提高了金属材料的温度，使其流动性更好。
• 强化结合：增强了层与层之间的冶金结合强度。

三、技能提升的关键发现

通过对比新方法（HHSAM）和传统方法（AFSD），研究发现：

温度与流动性显著提升

• 加工区域平均温度从198°C提升至318°C。
• 更高的温度使材料变得更“软”，流动性增强，更容易被充分搅拌成型。

微观结构得到优化

• 抑制晶粒异常长大：传统AFSD的零件在热处理后容易出现个别晶粒粗大的现象（AGG），这会降低性能。而HHSAM技术成功避免了这一问题，获得了均匀致密的微观结构。
• 促进有益相形成：HHSAM技术促进了强化相Mg₂Si的形成和富集，这些细小的颗粒能像“钉子”一样，阻止晶粒在热处理时过度长大，从而提升材料强度。

力学性能全面增强

• 强度与韧性兼得：经过热处理后，HHSAM制造的零件在水平和垂直方向上均表现出更高的强度和更优异的韧性（伸长率）。
• 性能均衡：其综合力学性能优于其他多种主流3D打印技术，实现了高强度和高韧性的良好平衡。
• 断裂方式转变：HHSAM零件的断口呈现出密集的韧窝状，这是韧性断裂的特征，说明其韧性更好。

耐腐蚀性明显改善

HHSAM零件在盐水中表现出更高的抗腐蚀能力。这得益于其更均匀的微观结构和更多稳定的Mg₂Si强化相，减少了因成分不均导致的电化学腐蚀。

四、研究结论与前景

• 核心结论：混合热源固态增材制造（HHSAM）是一种高效、可靠的金属3D打印新方法。它通过引入辅助感应加热，解决了传统AFSD的热量瓶颈，成功制造出结构均匀、强度高、韧性好且耐腐蚀的高性能AA6061铝合金零件。
• 应用前景：该方法为制造大型、高性能的金属构件（如航空航天、交通运输领域的结构件）提供了一种新的技术路径，具有广阔的工业应用前景。

图片解析：

图1：固态制造方法及本文提出的新型混合热源固态制造示意图。

图2：（a）AFSD、（b）HHSAM工艺的照片和示意图及（c）所应用的中空工具。（d）感应加热示意图。（e）基于标记的沉积路径在沉积过程中的AFSDed和HHSAMed沉积的照片，以及（f）性能分析的取样图。

图3：通过原位过程监控套件检测到的AFSD和HHSAM的（a）温度、（f）顶锻力（Fups）、（g）主轴力（Fspi）和（h）主轴扭矩（Mspi）。(d) AFSD和(e) HHSAM的通过FLIR获得的温度图，沿(b) Z和(c) X方向的温度梯度。(i) 材料变形分析示意图。

图4：（a）AFSD、（b）HHSAM、（c）AFSD-HT和（d）HHSAM-HT横截面的金相照片。

图5：（1）大范围和更高放大倍数（300倍和1000倍）的IPF图像，（2）取向差角分布和（3）（a）AFSD、（b）HHSAM、（c）AFSD-HT和（d）HHSAM-HT的PF图像。取向差角分布和PF的结果分别对应于大范围和1000倍放大的IPF图像。

图6：（a）明场TEM图像，（b）AA6061试样的EDS面扫图，（c）（a）中标记区域的相应SADP。

图7：（A）TEM图像和相应的EDS面扫图。（B）聚焦于位错的高倍HRTEM图像。（C）聚焦于析出相的高倍HRTEM图像和IFFT图。其中，（I）、（II）、（III）和（IV）分别代表AFSD、HHSAM、AFSD-HT和HHSAM-HT。

图8：（a）AFSD、（b）HHSAM、（c）AFSD-HT和（d）HHSAM-HT沿Z方向的显微硬度分布。

图9：沿X和Z方向的（a）制造态和（b）热处理后沉积物的应力-应变曲线比较。（c）沉积物的拉伸性能。（d）本研究沉积物与通过各种AM方法获得的沉积物的伸长率与UTS结果比较。

图10：各种沉积物断口表面的3D图像和高倍SEM图像：（a）AFSD、（b）HHSAM、（c）AFSD-HT和（d）HHSAM-HT；（e）沿（a）-（d）中每条标记线的2D扫描轮廓。

图11：各种沉积物的（a）Eocp vs. 浸泡时间，（b）PD曲线，（c）Nyquist和（d, e）Bode图。

通讯作者简介

澳门发展及质量研究所（IDQ）是澳门特别行政区公共资本非牟利组织，长期服务于澳门特区公共工程质量控制领域，并开展机械工程领域如金属成型技术及腐蚀防护方向相关研究。IDQ致力于应用为导向的科学研究。IDQ与航天工程装备（苏州）有限公司在横琴粤澳深度合作区共建了固相加工技术联合实验室；IDQ与国家材料腐蚀与防护科学数据中心在北京科技大学顺德创新学院共建了腐蚀防护联合实验室。

谭立武，工学博士，澳门发展及质量研究所理事长，澳门大学机电工程系教授，兼任中国腐蚀与防护学会副理事长，航天工程装备（苏州）有限公司首席科学家。长期从事能量系统，热传控制，固相加工技术，耐蚀材料开发，无线通讯技术等跨学科研究。

引用本文

Qian Qiao, Chan Wa Tam, Wai I Lam, Kaiyuan Wang, Dawei Guo, Chi Tat Kwok, Yongyong Lin, Guoshun Yang, Hongchang Qian, Dawei Zhang, Xiaogang Li, Lap Mou Tam, Hybrid heat-source solid-state additive manufacturing: A method to fabricate high performance AA6061 deposition, J. Mater. Sci. Technol. 228 (2025) 107-124.