基于CT的材料分布分析及其与通过增材摩擦搅拌沉积技术制造的异质复合结构中残余应力分布的相关性

《Additive Manufacturing》：CT-based material distribution analysis and correlation with residual stress distribution in heterogeneous composite structure fabricated via Additive Friction Stir Deposition

本研究通过增材摩擦搅拌沉积（AFSD）工艺交替沉积Al6061-T6和Al7075-T6合金棒，制备了异质铝合金复合结构，并采用X射线计算机断层扫描（XCT）、显微分析及中子衍射等技术表征其组织形貌、合金分布和残余应力。结果表明，AFSD可实现两种铝合金的周期性分层沉积，但存在合金分布不对称性，残余应力主要由Al7075的高强度特性引起。该研究为多材料功能梯度部件的制造提供了新方法。

　　

Vladislav Yakubov | Ilija Vego | Luke Clifford | Halsey Ostergaard | Matthew Foley | James Hughes | Evren Yasa | Michail Karpenko | Mohammad Saadatfar | Gwéna?lle Proust | Anna M. Paradowska

悉尼大学土木工程学院，澳大利亚新南威尔士州悉尼市

摘要

通过使用交替的Al6061-T6和Al7075-T6原料棒，采用摩擦搅拌沉积（ADDitive Friction Stir Deposition, AFSD）技术制备了一种异质铝合金复合结构。该沉积过程通过双向沉积策略实现了不同合金的周期性分层。对沉积后的结构进行了X射线计算机断层扫描（X-ray Computed Tomography, CT）、光学显微镜和电子显微镜观察、维氏硬度测量以及中子衍射分析。X射线CT结果显示，各层成分分布均匀，但Al7075在沉积物中的分布不对称，这归因于原料的顺序以及Al7075更倾向于沉积在旋转工具的前进侧。元素分布分析证实了富含锌的区域对应于Al7075。电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）发现了Al6061和Al7075界面处的细化等轴晶粒以及局部剪切现象。硬度测量显示，不同合金区域的硬度存在差异。中子衍射残余应力分析表明，与单一合金结构相比，交替合金结构的拉伸残余应力有所增加，这主要是由于Al7075的屈服强度较高所致。这些发现表明，摩擦搅拌沉积技术可以用于制造成分和力学性能均异质的铝合金结构，并强调了需要探索工艺控制方法以减少合金分布的不对称性，从而实现分层和功能梯度组件的制造。

引言

航空航天、汽车和国防工业对复杂、轻质和高性能金属部件的需求不断增加，推动了金属增材制造（Metal Additive Manufacturing, AM）技术的显著进步。在各种金属增材制造工艺中，摩擦搅拌沉积（AFSD）已成为一种适用于制造大规模、无缺陷结构的技术，且相比传统的熔融制造方法具有更低的残余应力[1]、[2]、[3]。

AFSD利用旋转工具在受控的热机械条件下逐层沉积金属原料。该方法能够实现优异的层间冶金结合、最小的几何变形，并使密度接近理论最大值[2]。此外，AFSD的固态特性使其特别适合加工高强度铝合金，因为这些合金在熔融制造过程中容易开裂[4]。

金属增材制造技术的一个重要优势是能够制造功能梯度或分层复合结构，从而在单个部件中实现定制的材料性能[5]。例如，Al6061和Al7075是最常用的铝合金。Al6061因其出色的耐腐蚀性而在汽车和海洋领域得到广泛应用[6]，而Al7075则因其优异的机械性能和高强度重量比而在航空航天领域更受欢迎[7]。尽管Al7075-T651的屈服强度比Al6061-T651高约53%，但其冲击能量吸收能力却高出355%[8]。因此，在单一结构中交替沉积这两种合金可以创造出结合了Al6061和Al7075特性的复合材料，为制造定制部件开辟了新途径。此外，利用AFSD的固态特性，可以避免不同合金加工过程中常见的裂纹、孔隙和结合不良等问题。

AFSD此前已被用于制造多种材料的分层结构，包括Al7075/Al2024/Al6061[9]、Al7075/Al2024[10]、SS316/CCA[11]以及Al6061/Al7075[12]、[13]、[14]。研究表明，通过AFSD沉积的不同铝合金之间具有优异的冶金结合，即使沿建造方向也是如此，从而保证了较高的机械性能。然而，大多数以往的研究主要集中在微观结构和整体机械性能上，对组分合金的内部分布及残余应力分布的关注较少。

AFSD非常适合多材料沉积，因为其固态特性允许在不熔化的情况下沉积离散的合金层。然而，多材料分层AFSD结构中合金的三维分布尚未得到直接评估。X射线计算机断层扫描（XCT）[15]主要通过示踪剂研究来揭示沉积过程中的材料流动[16]、[17]。在这些研究中，高原子序数的示踪剂被掺入铝合金原料棒中，通过X射线衰减的差异来实现材料在沉积物中的三维可视化。然而，示踪剂的使用无法反映整体合金的移动情况，限制了其在多材料AFSD结构中评估材料分布的适用性。不过，可以利用材料本身的X射线衰减差异[18]，实现无示踪剂的三维XCT可视化及合金分布的量化。

尽管中子衍射已被用于表征AFSD结构中的内部残余应力分布，但目前仅应用于单一材料结构[3]、[19]、[20]、[21]、[22]。在分层AFSD结构中，残余应力分布非常重要，因为内部拉伸/压缩场直接影响疲劳寿命、尺寸稳定性和裂纹驱动力。了解这些应力在多材料结构中的形成机制对于这类组件的设计和验证至关重要。与AFSD相关的固态工艺——摩擦搅拌焊接（Friction Stir Welding, FSW）的研究表明，由Al6061和Al7075组成的接头中，应变会向较软的Al7075侧转移[24]（通过数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术在拉伸测试中得到验证）。由于Al6061在焊接区域比Al7075更软，应变优先转移到Al6061侧。材料通常能在屈服点之前容纳残余应力。因此，在由交替的Al6061和Al7075层组成的结构中，残余应力分布将受到屈服强度不匹配的显著影响，高强度的Al7075区域能够承受比Al6061区域更高的弹性应力。这促使我们测量残余应力，以量化这种预期分布，并将其与单一合金结构进行比较。

在本研究中，通过交替使用Al6061-T6和Al7075-T6原料进行AFSD沉积，制备了一种异质分层铝合金结构，从而产生了由不同合金层引起的化学成分和机械性能的空间变化。结合XCT获得的合金分布信息与光学和电子显微镜技术以及基于中子衍射的残余应力分析，首次实现了对多材料AFSD结构中成分分层和内部应力发展的综合评估。这种综合方法首次实现了Al6061/Al7075分层结构中合金分布的三维可视化，并进行了厚度方向的残余应力评估，从而可以直接量化交替合金结构的影响，为未来的多材料固态增材制造策略提供依据。

材料与AFSD工艺

使用MELD L3 AFSD系统（美国制造）在同一块400 × 77 × 25.6 mm3的Al6061-T6基底的不同位置制备了两种沉积物：一种仅由Al6061铝合金组成（单一合金沉积，图1a），另一种由交替的Al6061和Al7075铝合金组成（交替合金沉积，图1b）。该系统配备了一个直径为38.1 mm的平面旋转工具，位于英国布莱克本的先进制造研究中心西北部（Advanced Manufacturing Research Centre NW, AMRC NW）（图1c和1d）。

微观结构与材料分布

对交替合金沉积物进行了微观结构分析，以评估Al6061与Al7075之间的结合情况、合金分布及微观结构。使用与单一合金沉积相同参数和材料的结构，我们的研究小组之前已经报道了其微观结构、机械性能、缺陷和残余应力[3]、[20]、[25]。

图4a和4j显示了样品Q1和Q3的横向（以及样品Q1的纵向）光学显微照片。

材料流动与合金分布

尽管目前尚无关于通过AFSD制备的多层铝合金结构内部流动行为的发表研究，但可以从基于示踪剂的研究中得出一些相关结论。

Stubblefield等人[16]使用阳极氧化Al6061原料侧面的氧化物颗粒作为流动标记物，并通过SEM-EDS分析了五个样品区域的最终位置。此外，还在Al6061中心嵌入了Cu示踪剂作为流动标记物。

结论与未来工作

本研究探讨了使用AFSD制备由交替Al6061-T6和Al7075-T6原料组成的分层铝合金复合结构。通过X射线计算机断层扫描、微观结构分析、硬度测量和中子衍射研究了合金分布、微观结构和残余应力发展。得出以下结论：

• 1. 使用光学显微镜、电子显微镜和XCT进行的微观结构分析证实了Al6061颗粒的形成。

资助

作者感谢澳大利亚政府的合作研究中心计划（Australian Composite Manufacturing CRC，授权编号CRCXXIIIA0006）的支持。

CRediT作者贡献声明

Matthew Foley：方法论设计、数据分析、数据整理、撰写及审稿编辑。 James Hughes：资源获取、资金筹措、撰写及审稿编辑。 Luke Clifford：撰写及审稿编辑、初稿撰写、方法论设计、实验研究、数据分析。 Halsey Ostergaard：实验研究、概念设计、撰写及审稿编辑。 Ilija Vego：撰写及审稿编辑、初稿撰写、验证工作、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析。 Anna M.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Mark Reid在澳大利亚核科学技术组织（ANSTO）的支持，他协助准备了ANSTO/ACNS提案P18772下的中子实验。同时，也感谢先进制造研究中心西北部（AMRC NW）提供的制造能力和专业知识，澳大利亚中子散射中心（ACNS）以及澳大利亚政府通过国家协同研究基础设施战略（NCRIS）对中子实验的支持。