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研究通过AFSD工艺对AA6061铝合金进行参数优化（10-400和15-200），发现晶粒细化至8-20μm，但β''相溶解导致屈服强度下降至112-134MPa，利用CALPHAD和COMSOL模型揭示热力学与力学性能关联。
Jitesh Kumar|Shashank Sharma|K.V.Mani Krishna|Sameehan S. Joshi|Madhavan Radhakrishnan|Shreyash M. Patil|Narendra B. Dahotre
敏捷与自适应增材制造中心（CAAAM），北德克萨斯大学，德顿，TX 76207，美国
摘要
本研究探讨了在两种不同加工条件下（10-400（10mm/s-400 rpm）和15-200（15mm/s-200 rpm））通过增材摩擦搅拌沉积（AFSD）技术处理的AA6061铝合金的微观结构和相变演变。详细的微观结构表征显示，晶粒尺寸从基材的平均约140 μm显著细化到沉积样品中的8–20 μm范围，这表明在AFSD过程中由于严重的塑性变形和热暴露作用引发了动态再结晶。透射电子显微镜分析显示，在两种AFSD条件下β″沉淀物和GP区域均完全溶解。在10-400条件下的样品中观察到了Mg2Si的沉淀以及Fe-Cr-Si相的演变，而在15-200条件下的样品中则出现了Fe-Cr-Si和Cu-Zn相的演变。由于β″沉淀物的溶解，材料的屈服强度显著降低，从AA6061基材的281 MPa分别降至AFSD处理后的112 MPa和134 MPa。利用CALPHAD半定量分析了AFSD过程中的第二相演变，发现相溶解和再沉淀发生在200至300 °C的温度范围内。这种转变突显了机械性能对AFSD过程中热暴露的敏感性，并强调了沉淀物稳定性在保持加工后强度方面的关键作用。
引言
随着对改进制造工艺需求的不断增长，增材制造（AM）已成为一种重要的制造技术。作为一种新型的固态技术，增材摩擦搅拌沉积（AFSD）应运而生。AFSD是一种基于摩擦搅拌焊接（FSW）和摩擦表面处理（FS）原理的层状热机械增材制造方法[1]、[2]、[3]。与传统熔融基增材制造[4]、[5]、[6]、[7]不同，AFSD使用旋转的空心工具逐层沉积材料而不需要熔化。由于在固态下进行操作，该技术显著降低了热梯度，从而避免了层间收缩和热裂纹等问题。此外，AFSD的热机械特性所生成的改进微观结构也提高了组件的整体机械性能。由于需要制造具有致密细晶结构和优异机械强度的大规模组件，这激发了人们对轻质合金工程领域的兴趣。
铝（Al）合金因其低密度、良好的耐腐蚀性、优异的电导率和热导率、易于加工以及出色的强度重量比而在航空、汽车和海洋领域得到广泛应用。然而，在特殊苛刻条件下，它们的加工性能、性能和耐久性之间存在权衡。已有大量研究探讨了使用AFSD处理商用级铝合金[8]、[9]、[10]、[11]、[12]，以及其对可打印性、结构和机械性能的影响。先前的一项研究对AA6061的AFSD工艺窗口进行了详细分析[14]，发现最佳沉积参数为工具旋转速度300–420 rpm、进料速率66–122 mm/min和工具行进速度127–229 mm/min。研究指出，降低进料速率或增加行进速度会导致热量输入减少，从而引起材料流动不畅和沟槽缺陷；相反，较大的进料速率或较低的行进速度会增加热量输入，导致材料溢出形成的飞边缺陷。另一项研究[15]表明，将消耗性棒材的进料速率保持为工具行进速度的1:2至1:3比例可以提高工艺参数的一致性，实现稳定的材料流动和更好的沉积效果。此外，工具与进料材料之间的高机械摩擦作用成为动态再结晶（DRX）的驱动力，通过持续的塑性变形使沉积材料形成细晶微观结构。例如，一项关于AA-6061的AFSD研究报道，沉积后的平均晶粒尺寸从锻造棒材的163.6 μm减小到成品部件的约8.5 μm[16]。通过AFSD沉积的AA6061合金也观察到了类似的晶粒尺寸显著减小现象，沉积后的晶粒尺寸约为15 μm，而原料中的晶粒尺寸为200 μm[14]。然而，尽管这种细化效果显著，但并不一定能转化为机械性能的全面提升，因为这高度依赖于沉积层内的局部热历史和应变分布，以及强化沉淀物的存在与否。尽管成品AA6061组件表现出显著的晶粒细化，但多项研究[14]、[15]、[16]发现其机械性能有所下降。这种性能下降主要是由于高温沉积过程中β″沉淀物的溶解，而β″沉淀物是主要的强化因素。多项研究[16]、[17]、[18]还指出，除了强化相的溶解外，AFSD过程中的过度时效作用（由于溶解-沉淀/再沉淀）也会导致机械性能显著下降。这些微观结构变化削弱了合金的沉淀强化效应，抵消了晶粒细化带来的好处。
Qiao等人[19]研究了层厚对微观结构和机械性能的影响。研究发现，随着层厚（t）从0.5 mm增加到1.5 mm，晶粒尺寸从9 μm减小到7 μm。他们认为，在较小的t条件下，较高的热量输入和更强的热机械耦合促进了原子扩散，导致部分晶粒破碎和粗化。平均显微硬度从43.8 HV0.5略微增加到46.8 HV0.5，因为较厚的层（1.5 mm，图4b）经历了较低的峰值温度，从而增强了DRX诱导的位错密度，进而提高了显微硬度。在另一项研究中，Qiao等人[20]研究了工具旋转速度（Ω）对AFSD制造的AA6061合金的影响。XRD分析显示，所有沉积样品均含有Mg2Si、AlMg和Al12Mg17相。Mg2Si相的形成归因于在高达500 °C的沉积温度下合金元素的溶解，随后在冷却过程中重新沉淀。EBSD分析表明，平均晶粒尺寸基本保持不变（7.2 -7.7 μm），说明工具旋转速度的变化对晶粒尺寸影响不大。然而，随着Ω从450 rpm增加到550 rpm，YS（屈服强度）和UTS（抗拉强度）分别从87.8 ± 8.7 MPa和147.2 ± 14.3 MPa降至67.8 ± 8.7 MPa和139.6 ± 8.2 MPa。相比之下，伸长率呈现上升趋势，达到约33.1%。Paliwal等人[21]系统研究了AFSD制造的AA 6061合金的结构和机械性能，发现从顶部到底部的硬度（68 HV降至45 HV）和屈服强度（201 MPa降至98 MPa）显著降低。这主要是由于顶部存在针状半连贯的ψ”沉淀物，而底部则由粗棒状的非连贯ψ”沉淀物组成。Chen等人[22]使用AFSD处理AA 6061合金，并对其进行了热处理，然后将其结构与机械性能与原料材料及沉积后热处理（PDHT）的材料进行了比较。原料、AFSD沉积样品（AD）和PDHT样品的晶粒尺寸分别为95.7 μm、3.8 μm和821.9 μm。AFSD过程中晶粒显著细化，而在热处理过程中晶粒明显粗化。PDHT和原料的YS（313 MPa和311 MPa）远高于AD（190 MPa），表明AFSD后强度降低了39.2%。同样，AD的UTS降低了约38%，但在固溶处理和时效处理后增加到323 MPa（约62%），显示出更好的延展性；然而，热处理显著提高了强度但降低了延展性。在常温和水下冷却（A-AFSD和U-AFSD）条件下，通过增材摩擦搅拌沉积（AFSD）制备的多层AA6061样品在结构和机械性能方面进行了系统比较[23]。EBSD分析表明，由于AFSD过程中的热条件和塑性变形，形成了等轴晶粒。A-AFSD的平均晶粒尺寸为10.3 ± 3.8 μm，U-AFSD为9.6 ± 2.4 μm。AFSD过程中的微观结构演变受热变形条件（温度、应变和应变率）的强烈影响，而这些条件又受到水冷的影响。水下冷却降低了峰值温度并缩短了热循环时间，从而影响了晶粒细化。沿纵向方向，A-AFSD的YS、UTS和伸长率分别为124.0 ± 20.8 MPa、156.9 ± 4.2 MPa和27.9 ± 4.7%，而U-AFSD由于严重的塑性变形和动态再结晶作用，这些值分别提高了141.9 ± 21.2 MPa、176.5 ± 3.1 MPa和30.3 ± 2.2%，表现出更好的拉伸性能。
然而，目前尚缺乏关于AFSD制造过程中相变及其对机械性能影响的研究，特别是这些影响如何随工艺参数变化而变化。本研究利用加工、测试和表征工具，以及在COMSOL多尺度多物理场建模框架下的热力学模型，系统研究了工艺参数对AA6061（T6回火状态）AFSD结构和机械性能的影响，以解释观察到的结果。本研究的新颖之处在于系统地探讨了AFSD工艺参数对微观结构演变和机械性能的影响，并通过基于FEM的热建模阐明了工艺-结构关系。此外，还采用了CALPHAD分析来提供AFSD过程中沉淀物演变的机理洞察，提供了一个前所未有的实验-计算集成框架。
AA6061合金的AFSD加工
使用电火花加工（EDM）从一块较大的AA6061板材（9.5 × 460 × 460 mm3）中加工出一块尺寸为9.5 × 9.5 × 460 mm3的T6回火状态AA6061合金棒材，以确保尺寸精度。通过对一块尺寸为15 × 10 × 10 mm3的代表性样品进行X射线荧光（XRF）光谱分析，确定了合金的化学成分（表1）。
商业AA6061合金的AFSD加工使用了配备有...
工艺参数的演变
工艺参数，如扭矩、执行器力和温度，是实时反映工艺动态的指标，因此进行了系统监测（如图3所示）。这些参数不仅仅是操作输出，它们还体现了系统对外部施加的加工条件（如工具旋转速度（ω）、工具线速度（vlinear）和进料棒向下运动（vf）的响应。本质上，它们起到了诊断作用...
理解工艺参数对结构演变的影响
利用本研究中指定的AFSD工艺参数，在10-400和15-200样品中实现了沉积层与基板之间的良好冶金结合。没有出现孔隙、裂纹等物理缺陷，也没有熔合迹象，表明所选的工具旋转速度和行进速度组合足以保证无缺陷的形成...
总结
- 1.
本研究证明了AFSD工艺在各种工艺参数下制造AA6061合金组件的可行性。所得到的制品具有无孔隙、裂纹或界面缺陷的健全冶金结构，并且沉积层之间形成了良好的结合。这不仅强调了AFSD固有的固态沉积机制的稳健性，也验证了其生产高完整性铝合金组件的潜力。
CRediT作者贡献声明
Sameehan S. Joshi：撰写 – 审稿与编辑、可视化、方法论、数据分析、概念化。Madhavan Radhakrishnan：撰写 – 审稿与编辑、方法论、研究、数据分析、概念化。Shreyash M. Patil：撰写 – 审稿与编辑、可视化、方法论、研究、数据分析、概念化。Narendra B. Dahotre：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目协调。
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Narendra B. Dahotre博士报告称获得了德克萨斯州的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢北德克萨斯大学的敏捷与自适应增材制造中心（CAAAM）通过州拨款190405-105-805008-220提供的基础设施支持，以及材料研究设施（MRF）在显微镜工作方面的支持。
