摘要
金属增材制造技术发展迅速，方便快捷的增材制造日益成为大众需求。以激光和电子束为热源的传统金属增材制造技术制备的金属材料存在组织缺陷，且增材金属种类局限性较大。为克服上述不足，结合冷喷涂（Cold Spray,CS）和搅拌摩擦加工（Friction Stir Processing,FSP）技术的双重优势，提出一种新的增材制造技术——冷喷摩擦复合增材制造技术（Cold Spray-Friction Stir Processing Composite Additive Manufacturing,CFAM）。该技术绿色环保、节省原料、工艺简单。主要原理为先利用CS沉积一定厚度沉积体，然后在沉积体上进行FSP，两种工艺循环往复制备特定厚度增材体。虽然针对CFAM铝合金进行了微观组织和静态力学性能的研究分析，但是对于CFAM铝合金动态力学性能的研究仍然存在空白。本文以6061铝合金粉末为原料，利用CFAM技术成功制备了6061铝合金增材体，并分别对沉积体和增材体的微观组织及疲劳行为进行了系统研究。主要结论如下： CS沉积体晶粒粗大，分布不均，CFAM增材体晶粒显著细化，组织均匀致密，单层增材体和双层增材体的平均晶粒尺寸分别为3.6μm和3.1μm。相比CS沉积体，增材体塑性显著提升，单层增材体极限抗拉强度提高19%，延伸率提高1730%；双层增材体极限抗拉强度提高16%，延伸率提高2247%。高周疲劳实验结果表明，当应力比R=0.1，疲劳极限循环次数为106时，CFAM单层增材体和双层增材体的疲劳极限分别约为155MPa和165MPa，相比CS沉积体分别提升72.2%和83.3%。当疲劳极限循环次数为107时，CFAM单层增材体的疲劳极限约为150MPa。对比疲劳断口，CS沉积体断口特征单一，表面分布多个疲劳源，裂纹扩展不明显，呈脆性断裂特征；而CFAM增材体断口特征显著，存在明显分区，疲劳源数量较少，疲劳裂纹扩展区分布有疲劳辉纹和贝纹线，瞬断区呈韧性断裂特征。微观组织的细化和致密化是增材体疲劳寿命提升的主要原因。 疲劳裂纹扩展实验表明，在相同的应力强度因子范围（?K）中，CS沉积体的裂纹扩展速率最快，CFAM单层增材体的裂纹扩展速率最慢，双层增材体的裂纹扩展速率居中。在较低?K时，双层增材体裂纹扩展速率较快，随着?K逐渐增大，裂纹扩展速率逐渐降低，最终与单层增材体速率保持一致。CS沉积体、CFAM单层增材体以及双层增材体的疲劳裂纹扩展门槛值（?Kth）依次为2.585MPa·m1/2、3.825MPa·m1/2和2.964MPa·m1/2。相比CS沉积体，CFAM增材体开启裂纹扩展所需的载荷更大，循环周次更多。增材体在裂纹扩展过程中裂纹扩展速率低的原因主要有两点，低?K时主要是晶界阻碍裂纹扩展，高?K时通过塑性变形抑制裂纹扩展。
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