华中科大三校联合顶刊丨激光粉末床熔融Ti6AI4V的残余应力和微观结构演变机制

南京航空航天大学柔性成形技术与装备研究团队博士生周泽星（第一作者）、沈一洲教授（通讯作者）、郭训忠教授（通讯作者）在材料工程领域Top期刊《Journal of Materials Processing Technology》（IF=6.7）上发表了题为“Interface stair-like design and repair performance of Al-Zn-Mg-Cu aluminum alloy based on additive friction stir deposition”的研究论文。 论文链接https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2025.118758研究背景与意义Al-Zn-Mg-Cu 合金（7XXX 系列铝合金）凭借其高强度和耐腐蚀性，在航空航天和交通装备领域具有重要应用。然而，极端工况下，这些铝合金部件易出现磨损、冲击和腐蚀等表面损伤。传统的修复方法 会对材料性能产生负面影响，如热影响区大、元素偏析等。搅拌摩擦沉积增材（AFSD）作为一种新兴的固态增材制造技术，在合金部件修复中展现出独特优势，如晶粒细化显著、能耗低和修复速度快等，能有效避免热裂纹、大变形和高残余应力等问题。但目前 AFSD 修复质量的影响因素尚不明确，本研究旨在通过设计不同的修复结构，探究界面阶梯化设计对 AFSD 修复铝合金性能的影响，为铝合金修复工艺的设计与优化提供参考。 内容简介本论文针对铝合金表面损伤缺陷，阶梯化设计并加工制备出不同的修复结构(V形槽-Vgroove，阶梯V形槽-Vstair，U形槽-Ugroove，阶梯U形槽-Ustair)，利用本团队自主研发的 AFSD 设备开展修复实验。系统性研究了不同修复结构设计对 Al-Zn-Mg-Cu 铝合金 AFSD 修复性能的影响，揭示了界面阶梯化结构设计对于修复后微观组织与性能的调控机制。 图1 铝合金表面实际缺陷和预制损伤槽修复结构设计尺寸示意图 图2 AFSD 修复过程和修复设备示意图研究发现与结论1、最佳修复工艺参数探究通过分析修复过程中理想和实际情况下的材料体积变化，推导并提出进给速率（Vf）-横移速率（Vt）协调方程，给定修复层厚度Hr，可确定合适的Vf/Vt比值，以保证修复过程参数的合理性和完整性。基于上述准则，列出不同修复参数组合，以探究其对修复效果的影响。实验参数包括不同的转速、进给速度和横向速度。研究发现转速对产热有非线性影响，400°C 的修复峰值温度配合适当热输入能实现最佳的材料塑化流动性。确定最佳 AFSD 修复参数为：转速ω 450 rpm， 横移速率Vt 128.3 mm/min， 进给速率Vf 51.3 mm/min，这些参数能确保最佳的产热、材料流动性和修复质量。 图3 修复过程参数探究 图4 修复层形貌与产热表征2、修复过程材料流动与界面连接在最佳修复参数下，对四种不同结构损伤槽修复后进行观察分析，发现Vgroove和Vstair在修复区填充程度较好，Ugroove和Ustair填充相对不足，其中Vstair的有效修复深度最大。修复区前进侧（AS）界面在修复过程中被破碎重构，修复界面呈锯齿状，界面结合质量优于后退侧（RS）。此外，Vgroove和Vstair的修复材料与基体材料微观结构混合明显，为典型的冶金结合，修复质量更佳。在AFSD修复过程中，工具头与基体摩擦热是主要热源，影响材料软化和填充效果，当修复结构达到一定深度会因热量不足导致材料无法有效混合。以Vstair为例，阶梯化结构有效增加了接触面积，促进了材料混合和界面结合，旋转的修复工具头带动进料与基体接触，在轴向力作用下，进料因摩擦热软化。修复结构边缘在搅拌头作用下破碎，软化材料流入损伤槽并与阶梯结构相互作用。在轴向力作用下，大剪切变形促进了修复界面处材料的混合与连接，表明合理的修复结构设计对AFSD修复质量有着重要影响。 图5 AFSD修复后损伤槽的横截面形态和局部放大金相图 图6 Vstair 修复过程中的材料流动和结构变化示意图3、修复过程微观组织演变修复区域的晶粒呈现明显的等轴细晶特征，其中具有阶梯化结构的损伤槽修复区域晶粒细化效果更为突出。Vstair修复区域平均晶粒尺寸为3.07μm，相较于原始基体材料，晶粒细化93.9%，而普通结构的晶粒细化程度相对较低。 分析可知，修复过程中材料发生了连续动态再结晶行为(CDRX)。对比修复前后晶界取向角发现，原始基板中大部分为低角度晶界，修复后四种结构的高角度晶界平均占比均高于低角度晶界。此外，阶梯化修复结构有助于在修复过程中晶粒分割，进一步细化了晶粒。这是因为修复时搅拌摩擦产生的外部变形力使材料内部产生应力，随着变形程度增加，初始晶粒被拉长变薄，在亚晶界影响下，晶界变得锯齿状，由于阶梯结构的存在，增大了外部剪切应力，使得界面附近区域产生几何动态再结晶(GDRX)。 图7 不同结构修复后的EBSD分析结果对Vstair结构在修复界面处进行元素与第二相分析发现，修复界面处存在元素分布不均匀，修复区域主要为粗大的S相（Al2CuMg）、Al-Fe相和部分η相（MgZn2），平均尺寸在30-50nm。基体区域则主要是尺寸为8-15nm的η相。同时，修复区域的强化相η相占比减少，且相较于基体区域，其内部的η相沉淀更粗大、不均匀。这是由于修复过程产生的热量增加了铝合金内部元素的扩散率，促使形成更大尺寸的沉淀相，部分初始η相发生溶解或再沉淀，导致其分布变稀疏。这种沉淀相的变化使得合金在塑性流动时阻碍位错运动的能力下降，粗大的S相和Al-Fe相还易引发应力集中，降低材料的塑性韧性和界面结合强度。 图8 Vstair修复结构界面两侧的 TEM 结果4、修复后性能分析显微硬度结果显示，修复区域的硬度值普遍低于基体材料，且低硬度区域形状与修复结构的横截面相似。其中，Vstair的平均硬度在修复区域中最高，在修复界面处存在明显的软化区和硬度分布过渡层。对于Ustair和Ugroove结构，由于在修复过程中向基板输入的热量较大，导致修复区域微观结构过时效，出现沉淀相的溶解和粗化现象，进而形成更显著的软化区，对基板硬度影响更大；而Vgroove和Vstair结构的软化区相对较窄，对基板硬度影响较小。从微观角度来看，TEM图像显示修复区域的MgZn2相分布相较于基体减少，也验证了修复区域硬度降低的现象。 图9 修复区截面的显微硬度分布拉伸测试表明，四种修复结构在前进侧（AS）的极限抗拉强度（UTS）和断裂伸长率高于后退侧（RS），Vstair在AS侧的UTS最高（294 MPa）。在RS侧因材料混合不佳，界面力学性能较差。由于在 AS侧修复时，工具头的旋转搅拌作用会破碎基体晶粒，随着热输入增加和修复材料流动性增强，基体与进料晶粒间发生动态再结晶，同时界面阶梯状结构增大了接触面积，强化了修复区域与基板的连接，使得修复区域能保持较高的抗拉强度和延展性。而在 RS 修复时，使用的平头工具头致使材料混合效果欠佳，无法有效破碎基体晶粒，热输入相较 AS侧不足，使得填料-基体界面结合程度较差，进而导致两侧力学性能差异明显。 图10 四种修复试样的拉伸性能Vstair拉伸试样断口分析显示，AS侧存在塑性和脆性断裂特征，RS侧多为脆性断裂。AS侧塑性断裂区域有微腔合并、小凹陷及典型的韧性断裂特征，脆性断裂区域呈现厚且长的河流状花样；RS 侧存在大凹陷区域和非均匀穿晶断裂特征，进一步直观地解释了 RS 室温拉伸强度较弱的原因。 图11 Vstair拉伸试样断口形貌以Vstair为例的中性盐雾测试表明，修复区域耐腐蚀性优于基体。盐雾腐蚀后，基板黑化、腐蚀产物多，修复区域腐蚀程度轻。从微观角度来看，修复区域在修复过程中，材料在搅拌头的摩擦热作用下，形成了比基体更细小且均匀分布的晶粒结构。这种细晶结构增加了晶界数量，而晶界能够有效阻碍腐蚀介质的扩散和渗透，从而提高修复区域的耐腐蚀性能。与此同时，修复区域和基体区域在沉淀相的类型和分布上存在差异。修复区域沉淀相数量减少或尺寸发生变化，使得其对腐蚀的抵抗能力增强，而基体区域由于晶粒尺寸较大且存在微裂纹等缺陷，更容易受到腐蚀介质的侵蚀，腐蚀产物的保护作用也较弱，最终导致修复区域的耐腐蚀性优于基板区域。 图12 Vstair试样中性盐雾腐蚀试验后表面形貌与性能表征5.结论· 提出进给速率-横移速率协调方程，对修复层宽度和厚度以及修复过程中的温度变化进行统计分析，得出最佳修复参数为ω :450 rpm，Vt :128.3 mm/min，Vf:51.3 mm/min。· 四种损伤槽的前进侧在修复过程中被破坏并重建，修复后原来规则的界面变成锯齿状，前进侧的界面结合质量明显优于返回侧。Vstair 的修复质量和晶粒细化效果最好，与基材相比，晶粒细化 93.6%。· 连续动态再结晶是修复过程晶粒细化的主要机制，界面阶梯化结构可提供额外的剪切变形效应，增加材料的接触面积，并发生几何动态再结晶，有效促进晶粒细化。· 采用界面阶梯化设计的损伤槽在修复后显示出更好的拉伸性能（Vstair 达到 294 MPa）。损伤槽修复后，基体和修复区域之间存在明显的性能差异。界面修复区域的耐腐蚀性能优于基体区域。· 本文以 Al-Zn-Mg-Cu 合金的修复为重点，揭示了 AFSD 技术在该领域的巨大潜力及其在工程应用中的高度适用性。然而，在修复过程中，如何进一步探索和优化热输入控制、界面结构调节以及结构与基体的精确匹配等问题还需要进一步研究。 来源：增材制造硕博联盟