【AI讀論文】一種製造高性能鋁合金零件的混合熱源固相增材新方法

第一作者：喬乾

通訊作者：郭達偉，林永勇，張達威，譚立武

通訊單位：澳門發展及質量研究所，航天工程裝備（蘇州）有限公司，北京科技大學，澳門大學

一、技術背景與挑戰

• 傳統金屬3D打印的痛點：目前主流的激光3D打印技術，在製造過程中需要將金屬熔化，容易產生氣孔、熱裂紋等缺陷，影響零件質量。
• 固態增材製造的興起：一種名為“攪拌摩擦沉積增材製造（AFSD）”的技術應運而生。它在加工過程中金屬不熔化，而是通過摩擦熱和壓力使其“軟化”並層層堆積成型，從而避免了上述缺陷。
• AFSD技術面臨的挑戰：傳統AFSD技術主要依靠機械摩擦生熱，熱量有時不足或不穩定，導致材料流動性差，層與層之間結合不夠牢固，影響了零件整體的強度和均勻性。

二、創新解決方案：混合熱源技術

研究人員提出了名為“混合熱源固態增材製造（HHSAM）”的新方法。

核心原理：

在傳統AFSD的機械摩擦熱之外，額外引入一個感應加熱線圈作為輔助熱源。     

工作方式：

該線圈環繞在加工工具外側，在整個製造過程中持續、穩定地提供熱量。

主要優勢：

• 精準控溫：能夠更精確地控制加工溫度。 
• 提升料溫：顯著提高了金屬材料的溫度，使其流動性更好。
• 強化結合：增強了層與層之間的冶金結合強度。

三、技能提升的關鍵發現

通過對比新方法（HHSAM）和傳統方法（AFSD），研究發現：

溫度與流動性顯著提升

• 加工區域平均溫度從198°C提升至318°C。
• 更高的溫度使材料變得更“軟”，流動性增強，更容易被充分攪拌成型。

微觀結構得到優化

• 抑制晶粒異常長大：傳統AFSD的零件在熱處理後容易出現個別晶粒粗大的現象（AGG），這會降低性能。而HHSAM技術成功避免了這一問題，獲得了均勻緻密的微觀結構。
• 促進有益相形成：HHSAM技術促進了強化相Mg₂Si的形成和富集，這些細小的顆粒能像“釘子”一樣，阻止晶粒在熱處理時過度長大，從而提升材料強度。

力學性能全面增強

• 強度與韌性兼得：經過熱處理後，HHSAM製造的零件在水平和垂直方向上均表現出更高的強度和更優異的韌性（伸長率）。
• 性能均衡：其綜合力學性能優於其他多種主流3D打印技術，實現了高強度和高韌性的良好平衡。
• 斷裂方式轉變：HHSAM零件的斷口呈現出密集的韌窩狀，這是韌性斷裂的特徵，說明其韌性更好。

耐腐蝕性明顯改善

HHSAM零件在鹽水中表現出更高的抗腐蝕能力。這得益於其更均勻的微觀結構和更多穩定的Mg₂Si強化相，減少了因成分不均導致的電化學腐蝕。

四、研究結論與前景

• 核心結論：混合熱源固態增材製造（HHSAM）是一種高效、可靠的金屬3D打印新方法。它通過引入輔助感應加熱，解決了傳統AFSD的熱量瓶頸，成功製造出結構均勻、強度高、韌性好且耐腐蝕的高性能AA6061鋁合金零件。
• 應用前景：該方法為製造大型、高性能的金屬構件（如航空航天、交通運輸領域的結構件）提供了一種新的技術路徑，具有廣闊的工業應用前景。

圖片解析：

圖1：固態製造方法及本文提出的新型混合熱源固態製造示意圖。

圖2：（a）AFSD、（b）HHSAM工藝的照片和示意圖及（c）所應用的中空工具。（d）感應加熱示意圖。（e）基於標記的沉積路徑在沉積過程中的AFSDed和HHSAMed沉積的照片，以及（f）性能分析的取樣圖。

圖3：通過原位過程監控套件檢測到的AFSD和HHSAM的（a）溫度、（f）頂鍛力（Fups）、（g）主軸力（Fspi）和（h）主軸扭矩（Mspi）。(d) AFSD和(e) HHSAM的通過FLIR獲得的溫度圖，沿(b) Z和(c) X方向的溫度梯度。(i) 材料變形分析示意圖。

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

圖5：（1）大範圍和更高放大倍數（300倍和1000倍）的IPF圖像，（2）取向差角分佈和（3）（a）AFSD、（b）HHSAM、（c）AFSD-HT和（d）HHSAM-HT的PF圖像。取向差角分佈和PF的結果分別對應於大範圍和1000倍放大的IPF圖像。

圖6：（a）明場TEM圖像，（b）AA6061試樣的EDS面掃圖，（c）（a）中標記區域的相應SADP。

圖7：（A）TEM圖像和相應的EDS面掃圖。（B）聚焦於位錯的高倍HRTEM圖像。（C）聚焦於析出相的高倍HRTEM圖像和IFFT圖。其中，（I）、（II）、（III）和（IV）分別代表AFSD、HHSAM、AFSD-HT和HHSAM-HT。

圖8：（a）AFSD、（b）HHSAM、（c）AFSD-HT和（d）HHSAM-HT沿Z方向的顯微硬度分佈。

圖9：沿X和Z方向的（a）製造態和（b）熱處理後沉積物的應力-應變曲線比較。（c）沉積物的拉伸性能。（d）本研究沉積物與通過各種AM方法獲得的沉積物的伸長率與UTS結果比較。

圖10：各種沉積物斷口表面的3D圖像和高倍SEM圖像：（a）AFSD、（b）HHSAM、（c）AFSD-HT和（d）HHSAM-HT；（e）沿（a）-（d）中每條標記線的2D掃描輪廓。

圖11：各種沉積物的（a）Eocp vs. 浸泡時間，（b）PD曲線，（c）Nyquist和（d, e）Bode圖。

通訊作者簡介

澳門發展及質量研究所（IDQ）是澳門特別行政區公共資本非牟利組織，長期服務於澳門特區公共工程質量控制領域，並開展機械工程領域如金屬成型技術及腐蝕防護方向相關研究。IDQ致力於應用為導向的科學研究。IDQ與航天工程裝備（蘇州）有限公司在橫琴粵澳深度合作區共建了固相加工技術聯合實驗室；IDQ與國家材料腐蝕與防護科學數據中心在北京科技大學順德創新學院共建了腐蝕防護聯合實驗室。

譚立武，工學博士，澳門發展及質量研究所理事長，澳門大學機電工程系教授，兼任中國腐蝕與防護學會副理事長，航天工程裝備（蘇州）有限公司首席科學家。長期從事能量系統，熱傳控制，固相加工技術，耐蝕材料開發，無線通訊技術等跨學科研究。

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.