摘要
搅拌摩擦增材制造（Frictionstiradditivemanufacturing，FSAM）是一种基于搅拌摩擦搭接焊原理，利用搅拌摩擦加工技术将多层材料在空间焊合叠加，结合铣削加工最终获得理想形状的固相增材制造技术。与基于熔化焊的激光、电子束和电弧增材制造相比，其具有热输入低、残余应力和热变形小、无粗大凝固组织及热裂纹缺陷等优势。然而增材过程中多重热循环作用使增材构件下部金属的晶粒尺寸及第二相粒子容易发生粗化，力学性能由增材区顶层至底层呈降低的趋势。因此，解决增材构件沿增材方向组织与力学性能不均匀，需要解决增材构件下部金属的软化问题。本研究创新地提出了水冷条件下进行7N01铝合金搅拌摩擦增材制造的思路，系统研究了空冷及水冷条件下成形的增材体焊态、自然时效及人工时效后的微观组织及力学性能变化规律，揭示了影响增增材体组织和性能的关键因素，从而实现了对7N01铝合金增材体微观组织及性能的控制。 本研究采用搅拌针螺纹间距分别为1.0mm和1.6mm的搅拌头，在主轴转速为600～1200rpm，行进速度为40～120mm/min的参数范围内探究了工艺参数对搅拌摩擦增材成形的影响。最优工艺参数为搅拌针螺纹间距为1.6mm，主轴转速为1200rpm，行进速度为80mm/min，并采用该工艺参数，分别在空冷和水冷条件下对7N01铝合金进行搅拌摩擦增材制造，增材体高度为40mm，通过对增材区组织与性能的研究得到以下结论: 空冷条件下，增材区底层的晶粒尺寸比顶层晶粒尺寸大，顶层强化相主要为GP区和细小的η(MgZn2)析出相，底层分布着尺寸为50～100nm的粗大的η相，由于增材区下部晶粒尺寸及强化相粒子发生粗化，导致增材区从顶层至底层显微硬度及水平方向的分层拉伸性能呈逐渐降低的趋势。增材方向的抗拉强度和延伸率均低于水平方向各层的抗拉强度和延伸率，层间冷搭接界面是影响增材方向拉伸性能的主要因素。自然时效及人工时效处理后，增材区的显微硬度和强度相对于焊态均有提高，但由增材区的顶层至底层仍呈降低趋势。 水冷条件下，增材区底层的晶粒尺寸（2.8μm）与顶层晶粒尺寸（2.3μm）相差不明显，顶层及底层的强化相均为GP区和细小的η(MgZn2)相析出，因此，增材区的显微硬度由顶层至底层分布均匀，水平方向的分层拉伸性能相差不大。增材方向的抗拉强度325MPa与水平方向各层的抗拉强度相当，但层间冷搭接缺陷仍导致增材方向的延伸率(19％)明显低于水平方向各层的延伸率(34％)。自然时效及人工时效处理后，增材区的显微硬度和抗拉强度相对于焊态均有提高，且沿增材方向分布均匀;增材区经自然时效90天后，增材方向和水平方向各层抗拉强度均在400MPa左右，与母材的抗拉强度相当。 水冷条件下增材有效控制了增材过程中热循环对增材区下部金属的晶粒尺寸及第二相粒子的热影响，使增材区由顶层至底层的微观组织及力学性能较均匀。此外，水下搅拌摩擦增材可细化增材区的晶粒尺寸，提高增材区的固溶程度，进而提高增材区的时效强化能力，是获得高性能7N01铝合金固态增材体的有效方法。
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