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(fā)展及質(zhì)量研究所

航天工程裝備（蘇州）有限公司

北京科技大學(xué)，澳門大學(xué)

科普解讀

1技術(shù)背景與挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)金屬3D打印的痛點：目前主流的激光3D打印技術(shù)，在制造過程中需要將金屬熔化，容易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋等缺陷，影響零件質(zhì)量。

固態(tài)增材制造的興起：一種名為“攪拌摩擦沉積增材制造（AFSD）”的技術(shù)應(yīng)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”并層層堆積成型，從而避免了上述缺陷。

AFSD技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)AFSD技術(shù)主要依靠機械摩擦生熱，熱量有時不足或不穩(wěn)定，導(dǎo)致材料流動性差，層與層之間結(jié)合不夠牢固，影響了零件整體的強度和均勻性。

2 創(chuàng)新解決方案：混合熱源技術(shù)

研究人員提出了名為“混合熱源固態(tài)增材制造（HHSAM）”的新方法。

 核心原理：在傳統(tǒng)AFSD的機械摩擦熱之外，額外引入一個感應(yīng)加熱線圈作為輔助熱源。

 工作方式：該線圈環(huán)繞在加工工具外側(cè)，在整個制造過程中持續(xù)、穩(wěn)定地提供熱量。

 主要優(yōu)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(jié)合：增強了層與層之間的冶金結(jié)合強度。

3 技能提升的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

通過對比新方法（HHSAM）和傳統(tǒng)方法（AFSD），研究發(fā)現(xiàn)：

溫度與流動性顯著提升

加工區(qū)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(jié)構(gòu)得到優(yōu)化

抑制晶粒異常長大：傳統(tǒng)AFSD的零件在熱處理后容易出現(xiàn)個別晶粒粗大的現(xiàn)象（AGG），這會降低性能。而HHSAM技術(shù)成功避免了這一問題，獲得了均勻致密的微觀結(jié)構(gòu)。

促進有益相形成：HHSAM技術(shù)促進了強化相Mg?Si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(xué)性能全面增強

強度與韌性兼得：經(jīng)過熱處理后，HHSAM制造的零件在水平和垂直方向上均表現(xiàn)出更高的強度和更優(yōu)異的韌性（伸長率）。

性能均衡：其綜合力學(xué)性能優(yōu)于其他多種主流3D打印技術(shù)，實現(xiàn)了高強度和高韌性的良好平衡。

斷裂方式轉(zhuǎn)變：HHSAM零件的斷口呈現(xiàn)出密集的韌窩狀，這是韌性斷裂的特征，說明其韌性更好。

耐腐蝕性明顯改善

HHSAM零件在鹽水中表現(xiàn)出更高的抗腐蝕能力。這得益于其更均勻的微觀結(jié)構(gòu)和更多穩(wěn)定的Mg?Si強化相，減少了因成分不均導(dǎo)致的電化學(xué)腐蝕。

4 研究結(jié)論與前景

核心結(jié)論：混合熱源固態(tài)增材制造（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(yīng)加熱，解決了傳統(tǒng)AFSD的熱量瓶頸，成功制造出結(jié)構(gòu)均勻、強度高、韌性好且耐腐蝕的高性能AA6061鋁合金零件。

應(yīng)用前景：該方法為制造大型、高性能的金屬構(gòu)件（如航空航天、交通運輸領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)件）提供了一種新的技術(shù)路徑，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

圖片解析

圖1：固態(tài)制造方法及本文提出的新型混合熱源固態(tài)制造示意圖。

圖2：（a）AFSD、（b）HHSAM工藝的照片和示意圖及（c）所應(yīng)用的中空工具。（d）感應(yīng)加熱示意圖。（e）基于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(jiān)控套件檢測到的AFSD和HHSAM的（a）溫度、（f）頂鍛力（F
_ups）、（g）主軸力（F_spi）和（h）主軸扭矩（M_spi）。(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）大范圍和更高放大倍數(shù)（300倍和1000倍）的IPF圖像，（2）取向差角分布和（3）（a）AFSD、（b）HHSAM、（c）AFSD-HT和（d）HHSAM-HT的PF圖像。取向差角分布和PF的結(jié)果分別對應(yīng)于大范圍和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(qū)域的相應(yīng)SADP。

圖7：（A）TEM圖像和相應(yīng)的EDS面掃圖。（B）聚焦于位錯的高倍HRTEM圖像。（C）聚焦于析出相的高倍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方向的顯微硬度分布。

圖9：沿X和Z方向的（a）制造態(tài)和（b）熱處理后沉積物的應(yīng)力-應(yīng)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(jié)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）E_ocp 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(fā)展及質(zhì)量研究所（IDQ）是澳門特別行政區(qū)公共資本非牟利組織，長期服務(wù)于澳門特區(qū)公共工程質(zhì)量控制領(lǐng)域，并開展機械工程領(lǐng)域如金屬成型技術(shù)及腐蝕防護方向相關(guān)研究。IDQ致力于應(yīng)用為導(dǎo)向的科學(xué)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(qū)共建了固相加工技術(shù)聯(lián)合實驗室；IDQ與國家材料腐蝕與防護科學(xué)數(shù)據(jù)中心在北京科技大學(xué)順德創(chuàng)新學(xué)院共建了腐蝕防護聯(lián)合實驗室。

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

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.11.079.