《Applied Surface Science》：Microstructural characteristics and tribo-mechanical behavior of additively manufactured aluminum in ambient and vacuum environments
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本研究采用激光定向能量沉积（L-DED）和电弧增材制造（WAAM）工艺制备AA6061铝合金及其钛碳化物增强复合材料，系统分析了材料在真空和常温条件下的摩擦磨损性能与微观结构特征，发现L-DED样品因TiC均匀分布具有更高硬度，而WAAM样品在摩擦系数和磨损性能上表现更优，为航天应用提供理论支持。
Pial Das|K.R. Ramkumar|Annette Gray|Roman Savinov|Matthew Mazurkivich|William W. Scott|Sougata Roy
美国爱荷华州立大学机械工程系，艾姆斯，IA 50011
摘要
本研究探讨了通过增材制造工艺制备的铝合金（AA）6061和铝基复合材料（AMC）的微观结构特征、摩擦学性能及其潜在机制。在常温和真空条件下对测试样品的摩擦和磨损行为进行了研究。采用激光定向能量沉积（L-DED）和电弧增材制造（WAAM）工艺来制备这些合金和复合材料。碳化钛（TiC）被用作增强材料，以提高AA6061的承载能力。TiC颗粒在AA6061中的均匀分布通过Hall-Petch强化效应提高了材料的硬度。在磨损性能方面，L-DED处理的TiC增强AMC在常温和真空条件下的摩擦系数（COF）较低。L-DED处理的AMC由于TiC增强作用以及表面形成的机械混合层和摩擦氧化层，表现出足够的硬度和优异的耐磨性。相比之下，WAAM处理的AMC在常温和真空条件下的硬度较低，摩擦系数分别为0.48±0.03和0.55±0.06。硬度的降低和摩擦系数的增加归因于TiC含量不足导致的强化效果减弱。
引言
随着NASA的阿尔忒弥斯计划等项目的推进，持续性的月球探索和深空任务重新激发了人们对轻质、机械强度高且能在恶劣外太空环境中使用的先进结构材料的兴趣[1]。在航空航天合金中，铝合金6061（AA6061）因其高强度重量比、优异的耐腐蚀性以及在卫星面板、机身和航天器结构部件等传统航空航天应用中的良好性能而脱颖而出[2]。它能够承受月球上的极端温度变化、强烈辐射和机械冲击，因此成为未来月球任务的有吸引力的选择[3]。然而，尽管具有这些优点，AA6061在耐磨性方面存在固有的局限性，尤其是在无法使用传统润滑剂的干滑动条件下。这在太空中是一个关键问题，因为润滑剂可能在真空和极端温度下蒸发、分解或失效[4]。
为了解决这些问题，研究人员越来越多地转向开发铝基复合材料（AMCs）。这些材料通过在延性基体中加入硬质陶瓷增强剂来获得所需的强度和耐磨性，同时保持整体结构完整性[5]。基于AA6061的合金和复合材料在航空航天、汽车和海洋应用中受到了广泛关注，因为它们能够提供定制的机械性能和更好的耐磨性[6]。增强相作为位错运动的障碍，细化了凝固过程中的微观结构，并提高了承载能力。特别是碳化钛（TiC）、碳化硅（SiC）、氧化铝（Al?O?）和二硼化钛（TiB?）等陶瓷增强剂表现出卓越的机械和摩擦学性能。这些陶瓷增强剂不仅提高了硬度，还在滑动磨损条件下减少了材料损失[7]。然而，通过传统的制造技术（如搅拌铸造、挤压铸造和渗透铸造）开发AMC组件存在显著局限性，这些方法往往导致增强剂分布不均匀，从而产生各向异性的机械性能[8]。基于摩擦搅拌的方法已被证明可以生产出具有改进硬度、强度和耐磨性的固态、可扩展的铝基复合材料，这表明工艺设计和增强剂分布对调整微观结构行为至关重要[9],[10],[11],[12],[13]。此外，基体与增强剂之间的不良界面反应会降低机械性能并降低密度，这对于结构可靠性至关重要的太空应用来说是一个持续存在的挑战[14]。
为了克服这些制造限制，增材制造（AM）技术能够实现接近净形的制造，生产出传统方法难以实现的高度复杂几何形状和定制的微观结构[15]。两种最常见的增材制造工艺，即粉末床熔融（PBF）和定向能量沉积（DED），已被证明可用于制造单体铝合金及其复合材料[16],[17]。PBF因其高精度和能够创建精细结构特征而成为焦点。Ghosh等人[18]制备了SiC增强的Al356合金，并发现15 wt%的增强剂可以提高耐磨性。然而，当增强剂比例增加到20 wt%时，由于颗粒聚集，性能反而下降。Han等人[19]发现Al?O?增强的铝合金比纯铝具有更好的耐磨性，但孔隙的存在被认为是导致摩擦系数增加的因素。然而，PBF的缓慢构建速度和粉末处理挑战使得人们将注意力转向了L-DED和WAAM技术。在L-DED过程中，高能激光束用于逐层熔化金属粉末，从而形成功能性组件。该工艺促进了快速凝固，产生了精细的微观结构和低孔隙率，从而提高了零件的摩擦学性能，修复了磨损表面并实现了功能梯度化[20]。另一方面，WAAM利用电弧熔化连续的金属丝材，具有更高的沉积速率，并能够以更低的成本生产出更大尺寸的组件，同时具有更均匀的微观结构。此外，WAAM避免了与金属粉末相关的许多处理和安全问题[21]。L-DED和WAAM的一个主要优点是它们能够处理具有均匀或梯度增强剂分布的大批量零件，这对于优化AMC的机械和摩擦学性能至关重要。这在制造金属基复合材料（MMCs）时特别有益，因为确保均匀或梯度的增强剂分布对于保持一致的机械和摩擦学性能至关重要。然而，由于铝合金（包括AA6061）的高热导率和反射率，其增材制造仍然具有挑战性。这一特性在激光加工过程中可能导致能量吸收困难，经常引发孔隙形成、开裂和残余应力积累等问题。因此，在将陶瓷增强剂加入铝合金时，仔细优化工艺参数至关重要[22]。
对于用于太空应用的AMCs来说，摩擦学性能至关重要。在真空环境中，由于缺乏大气气体，传统润滑剂的效果有限，且不会形成氧化膜来钝化金属表面。因此，摩擦学接触主要由直接的固-固相互作用主导，导致与常温和环境条件不同的独特磨损机制。航天器组件（如反应轮、陀螺仪和机器人执行器）必须在没有润滑剂的情况下承受严重的磨损[23]。从摩擦学的角度来看，研究铝基MMCs在干滑动条件下的磨损机制至关重要，特别是在无法使用润滑剂的太空应用中。真空摩擦学尤为重要，因为缺乏大气层和极端温度变化带来了独特的挑战。在真空环境中，由于没有氧化膜且许多情况下不能使用液体润滑剂，摩擦学接触主要由固-固相互作用主导。例如，航天器中的旋转部件（如反应轮和陀螺装置）通常在两个旋转体持续接触的条件下运行。虽然一些研究探讨了材料在真空条件下的摩擦学行为，但很少有研究专门讨论增材制造工艺和增强策略对这些条件下AA6061 MMCs性能的综合影响[24],[25]。
在常温和干滑动条件下，铝合金通常会经历磨料磨损、粘着磨损和氧化磨损的结合。Archard的经典磨损模型[26]将粘着磨损描述为由于接触表面之间的粘附而导致的材料转移过程。在高接触压力下，这可能导致严重的材料去除。此外，磨料磨损机制中，硬质凸点或嵌入的颗粒会侵蚀较软的基体，从而去除材料[27]。Stachowiak等人[28]表明，在高滑动速度下，微耕作用和分层磨损模式会迅速破坏表面完整性。Basavarajappa等人[29]发现，在较高载荷下，SiC增强铝合金的磨损机制从磨料磨损转变为分层磨损。
引入陶瓷增强剂（如TiC）显著改变了这些磨损机制[30]。Chattopadhyay[31]证明，TiC通过提高硬度和减少粘着磨损倾向来增强耐磨性。AM过程中的快速凝固可以通过细化微观结构来减少粘着磨损，从而提高基体硬度。根据现有文献，迄今为止的大部分研究主要集中在建立机械性能（如拉伸强度、疲劳特性）与微观结构特征之间的相关性上。经典的真空摩擦学研究强调，缺乏氧气/湿度可以根本改变摩擦学行为（抑制氧化膜的形成、增加粘附性和颗粒脱落的风险）[32],[33]。最近的AM相关综述指出，专注于AM金属摩擦学行为的研究相对较少，大多数AM磨损研究集中在常温条件下的LPBF制备的铝合金（如AlSi10Mg）上，而不是在真空条件下[34],[35]。一些实验报告表明，陶瓷增强剂（如TiC和SiC）和纳米颗粒的添加可以在常压环境下显著提高AM-Al合金的硬度和耐磨性[36],[37]，但这些研究很少比较不同的大规模AM制造方法（如DED与WAAM），或系统地研究真空环境下的磨损特性。因此，当前的研究将通过（i）直接比较L-DED和WAAM生产的AA6061与传统锻造AA6061样品在真空和常温环境下的摩擦/磨损特性，（ii）首次在真空和常温条件下建立AM和非AM铝合金样品的加工-微观结构-磨损行为之间的相关性，以及（iii）建立纳米处理铝丝材与WAAM结合处理的潜力，以在真空和常温环境下提供更好的表面保护，从而在进一步扩大AM在铝合金领域的应用方面发挥关键作用。
实验程序
用于L-DED工艺的高纯度（99.9%）气雾化AA6061粉末购自美国Atlantic Equipment Inc.。作为基底板使用了AA6061-T6板材（3″ × 2″ × 1″，Grainger，美国）。图1（a, b）显示了气雾化AA6061和TiC粉末颗粒的原始形态，前者（AA6061）主要为球形，后者（TiC）形状不规则。基体颗粒必须呈球形，以便于...
结果与讨论
图2展示了通过传统方法、L-DED和WAAM工艺制备的AA6061及其复合材料的衍射图谱。通过传统方法和L-DED方法制备的合金显示出高强度的铝峰。含有10 wt% TiC和约1.8 wt% TiC的L-DED和WAAM处理复合材料的铝基体中明显出现了TiC增强颗粒的特征峰。
结论
本研究通过锻造、L-DED和WAAM工艺彻底研究了用于太空应用的AA6061合金和AMCs的开发。系统地研究了每种工艺制备的材料的微观结构演变、硬度和磨损行为。在所有制备的合金和复合材料中，WAAM处理的AMC在常温和真空条件下均表现出合理的硬度、较低的摩擦系数（COF）和最高的耐磨性。
CRediT作者贡献声明
Pial Das：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论、研究。K.R. Ramkumar：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论、研究。Annette Gray：撰写——审稿与编辑、资源准备、研究、形式分析。Roman Savinov：撰写——审稿与编辑、资源准备、研究。Matthew Mazurkivich：撰写——审稿与编辑、资源准备、方法论、研究。William W. Scott：撰写——审稿与编辑、资源准备，
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所述的工作。
致谢
本工作得到了NASA的资助，授予编号为：80NSSC22M0230的资助。
