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北工大增材頂刊《AM》：實現(xiàn)強冶金結(jié)合！滾動摩擦增材制造高性能鋁合金

2022-06-15 14:17:58 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：摩擦滾動增材制造（FRAM）是一種新興的固態(tài)增材制造技術(shù)，適用于使用基于融合的增材制造方法容易產(chǎn)生凝固缺陷的高強度鋁合金。然而，F(xiàn)RAM中間層之間良好粘合的機制仍不清楚。本研究發(fā)現(xiàn)。首先，材料塑性流動和宏觀遷移行為在夾層沿縱向和橫向同時發(fā)生，形成宏觀機械互鎖的非平面界面。刀頭上的凸螺紋增加了橫向的材料流動，有利于相鄰層的材料混合。其次，嚴重的塑性變形導(dǎo)致界面兩側(cè)的晶粒顯著細化。？AA2319和AA6061側(cè)邊的平均晶粒度降低率分別為98.3%和95.9%。直接接觸，沒有明顯的氧化物，冶金界面結(jié)合完全。這些發(fā)現(xiàn)有助于闡明FRAM的基本物理過程，并為工藝參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)

高強鋁合金具有密度低、比強度和比模量高、斷裂韌性好、疲勞強度高、耐腐蝕性好等特點，適用于航空航天和國防工業(yè)。然而，傳統(tǒng)的以熔合為基礎(chǔ)的增材制造（AM）方法，涉及到材料-熔化-凝固，通過形成粗晶、裂紋和氣孔，極大地惡化了這些合金的力學(xué)性能。因此，近年來發(fā)展了基于摩擦的固態(tài)增材制造方法，如攪拌摩擦增材制造（FSAM）、攪拌摩擦沉積增材制造（AFSD）和摩擦堆焊（FS）等，它們在高強度鋁合金中具有顯著的發(fā)展?jié)摿颓熬啊＿@些方法起源于摩擦攪拌焊接（FSW），通過摩擦產(chǎn)生熱量，并通過嚴重的塑性變形實現(xiàn)層間粘接。然而，F(xiàn)SAM-nor-FS方法都不能實現(xiàn)連續(xù)的材料添加，以及AFSD昂貴的要求和定制設(shè)備；使得后一種方法不適合使用。最近，作者團隊[開發(fā)了一種新型的低成本固態(tài)方法，稱為摩擦滾動增材制造（FRAM）。該方法通過快速旋轉(zhuǎn)的工具頭產(chǎn)生熱量，同時實現(xiàn)連續(xù)加料。由于固態(tài)加工的固有特性，材料在FSAM過程中不熔化，避免了制造中的凝固缺陷，即所謂的“不可焊”高強度鋁合金。

在大多數(shù)固態(tài)制造工藝中，相鄰層之間的結(jié)合質(zhì)量：取決于這些層的塑性變形和材料流動行為，以及界面處的冶金結(jié)合。在嚴重的塑性變形過程（如FSW）中，材料的流動行為是由刀具/工件界面處的熱-機械相互作用造成的。在我們之前的研究中，我們對fram 生產(chǎn)的6061鋁合金的顯微組織和抗拉強度做了初步的評估。結(jié)果表明，成功地獲得了無缺陷、晶粒細化的全致密組織。與攪拌攪拌區(qū)材料受到周圍冷金屬的限制不同，F(xiàn)RAM 中的流動環(huán)境要復(fù)雜得多，因為進料是不斷地送到攪拌區(qū)。在FRAM 中如此復(fù)雜的熱-力學(xué)條件下，材料在相鄰層界面處的流動和界面結(jié)合行為可能與FSw有明顯的不同，然而，由于每一層都是用相同的材料（6061鋁合金）沉積的，相鄰層之間的界面無法被區(qū)分，fram產(chǎn)生的部分的相鄰層發(fā)生的基本物理機制，特別是為什么可以實現(xiàn)層間結(jié)合的原因仍然不清楚，這對于掌握固態(tài)FRAM方法的本質(zhì)至關(guān)重要。

在本文中，北京工業(yè)大學(xué)Haibin Liu教授團隊首次揭示了FRAM過程中的材料流動行為和層間鍵合機制。我們采用2319鋁合金焊絲作為示蹤材料，AA6061作為基底，因為混合鋁合金可以很容易地區(qū)分彼此。利用三維x射線計算機斷層掃描（CT）研究了夾層的三維形貌，從宏觀上揭示了夾層材料混合和材料流動行為的基本原理。隨后，利用電子背散射衍射（EBSD）和透射電鏡（TEM）研究界面附近的微觀結(jié)構(gòu)，以闡明微觀層面的層間鍵合行為。最后，通過力學(xué)性能測試進一步驗證了雜化材料的結(jié)合質(zhì)量，本文獲得的研究結(jié)果將有助于了解FRAM 的基本物理過程，并為今后的工藝參數(shù)優(yōu)化和刀頭設(shè)計提供指導(dǎo)。本研究以“Revealing the bonding mechanisms between deposit and substrate of the friction rolling additive manufactured hybrid aluminum alloys”為題發(fā)表在Additive Manufacturing上

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860422003384