中科院金属所+美国密歇根大学丨基于挤压实现细晶铝合金的增材制造

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前言

国内顶级材料期刊《Journal of Materials Science & Technology》近期刊出了由中科院金属所师昌绪先进材料创新中心发表的关于陶瓷复合材料增材制造的最新研究文章《3D printing of fine-grained aluminum alloys through extrusion-based additive manufacturing: Microstructure and property characterization》。该研究提出了一种基于挤压的金属增材制造AM方法，在高温下实现动态再结晶诱导晶粒细化，从而实现细晶铝合金的3D打印。该方法使用现成金属棒作为材料，在空气环境中完成，且沉积的6061铝合金经T6处理后强度和延展性与锻造6061铝合金相当，是一种低成本、高效率的绿色制造技术。

Graphical abstract

论文正文内容

传统上，金属制造业在性能、几何复杂性和成本方面面临着艰难的选择。金属可以通过基于熔化或烧结的增材制造（AM）方法加工成复杂的几何形状，例如粉末床熔化、定向能量沉积或粘合剂喷射。然而，由于柱状晶粒结构的形成或制造缺陷，这些方法通常导致较差的机械性能。固化金属的机械性能，包括抗拉强度、疲劳强度和延展性，可以通过随后的热机械加工来改善，这不可避免地会导致成品零件的几何复杂性和可承受性的妥协。打破性能复杂性-可承受性权衡的一种方法是开发新的金属加工方法，例如，通过引入新的基于变形的金属AM方法，该方法可以经济高效地将致密金属打印成复杂的结构形式。

热塑性塑料可以通过简单且经济高效的基于AM的挤出机轻松打印成复杂的几何形状。相比之下，基于挤压的金属AM仅适用于有限数量的金属，例如某些特定的块状金属玻璃和合金，其固相线和液相线温度之间的差异足够大。因此，金属AM的通用性和可承受性显著落后于热塑性AM。开发的不对称性可归因于热塑塑料和金属在高温下的固有不同的材料行为。大多数热塑性塑料是无定形或半结晶的，因此具有相当大的温度范围。这使得热塑性塑料能够在实际时间范围内保持合适的粘度范围，以便通过基于挤压的AM进行加工。多晶金属可以被视为由薄的“非晶”晶界分隔的晶粒的复合材料，但传统粗粒粉中“非晶的”晶界的比例极低。因此，这些金属中的大多数要么在达到其熔点之前太硬，要么在熔化后太软，无法稳定地挤出AM。

在多晶金属中引入更多的“非晶”晶界可以在熔化之前显著软化金属，为开发基于挤压的金属AM提供了新的策略。引入更密集晶界的一种策略是通过动态再结晶诱导晶粒细化。由于晶粒尺寸越细，在高温下晶粒越不稳定，因此对于高温下的低流动应力，更需要合适的晶粒结构而不是最细的晶粒结构。具有大面积不良拟合和相对开放结构的大角度晶界更为无序，因此更希望促进晶界滑动并降低细粒合金在高温下的流动应力，这已由最近建立的粘塑性本构方程定量描述。已经证明，通过使用摩擦/摩擦搅拌处理引入密集的塑性变形，可以实现细粒结构和高比例高角度晶界的良好组合。

受这些最新发现的启发，该研究提出一种基于挤压的AM方法，即增材摩擦挤压沉积（AFED）或“SoftTouch沉积”，旨在以降低的制造成本为制造定制致密金属零件提供新的解决方案。AFED的原理如图所示，可以描述为：（1）在沉积之前，通过原料和旋转模具之间的快速摩擦，将金属局部加工至其可锻状态；（2）将软化和精炼的金属作为“糊状物”通过开口挤出到目标位置；以及（3）继续沉积直到达到所需形状。与主要通过加热软化原料的其他基于挤压的AM工艺不同，AFED实现了摩擦能量和晶粒细化的有效组合，以在打印前软化金属原料。

增材摩擦挤压沉积（AFED）原理图

需要指出的是，所提出的AFED方法不同于其他摩擦搅拌相关工艺，例如摩擦堆焊（FS）和增材摩擦搅拌沉积（AFSD或MELD）。后两种工艺具有相当相似的原理，并吸引了学术界和工业界的大量关注，因为它们可以在不达到熔化温度的情况下额外制造致密金属零件。FS和AFSD的主要限制是，这两种工艺不具有在沉积之前主动软化原料金属的机制，因此需要原料和先前沉积的金属之间的直接摩擦来软化金属原料。需要向基底或先前沉积的金属层施加高压缩力或压力，以实现高压摩擦。因此，后续层的沉积需要等待，直到先前沉积的层足够硬以支持施加的高压，这严重限制了工艺吞吐量。

AFED有可能通过在沉积之前在自反应模块中将金属原料预处理成其可延展状态来解决这一限制。可以显著减小施加在先前印刷层上的应力。由于层之间的等待时间显著减少，AFED的制造速度可远高于FS和AFSD。此外，预处理模块实现了沉积前的微观结构均匀性和现场AM应用的高度便携性。它还通过调整模具开口的大小，使高分辨率固态3D打印成为可能。

考虑到上述讨论，该研究的目的是证明AFED是一种可行的固态金属AM方法，用于打印致密金属，并显著降低之前沉积层的压力。此外，AFED已被实验证明是一种有效的金属AM方法，可实现细化的等轴晶粒结构和优异的机械性能。

论文结论

该研究提出了一种基于挤压的SoftTouch /AFED工艺，该工艺可以在露天环境中使用现成的金属棒作为原料，构建复杂结构形式的致密金属。在AFED期间，原料金属在沉积之前在升高的温度下通过严重的塑性变形导致晶粒细化而软化，从而在AM工艺期间在先前沉积的层中实现低压缩压力，这对于连续逐层印刷是关键的，因为它可以消除或显著减少用于冷却先前打印的层以恢复足够的强度以承受高压缩压力的层之间的等待时间。

AFED生产的大块6061铝合金在相同的T6热处理后表现出与锻造6061铝铝合金相当的UTS和延展性。目前的研究表明，在AFED期间，SoftTouch施加在基板上的压缩压力在10−21 MPa的范围内。随着对过程物理的理解和过程控制算法的实施，新的AM过程将在未来几年中得到改进，以使细粒度密集金属打印具有成本效益，打破金属制造中的性能复杂性和可承受性权衡。

论文原文链接:

doi.org/10.1016/j.jmst.2022.08.017

来源：增材制造硕博联盟