帝国理工学院《AM》：开发基于固态挤压-轧制-粘接的铝合金增材制造技术（微信文章未删减版）

导读：为解决高性能铝合金在增材制造工艺中打印性差的问题，提出了一种固态混合增材制造（AM）技术，该技术结合了挤压和轧制粘接操作，通过热轧操作使挤压铝层牢固粘接。在这项可行性和早期研究中，设计并制造了一台实验室规模的挤压-轧制-粘接原型机。由于原型机对铝合金 AA1060 的负载要求相对较低，因此将其用于概念验证。在不同温度和轧制减量下进行了挤压-轧制-粘合试验，以确定最佳加工参数。使用光学显微镜（OM）估算了相应的粘合质量。此外，还测试了微型 AM 拉伸样品，以评估粘合界面的拉伸性能。令人感兴趣的是，AM 材料在粘合界面处没有断裂，其应力-应变响应与原始材料相似。利用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）/电子反向散射衍射（EBSD）对界面晶粒和氧化物分布及其对界面强度的影响进行了深入分析。这项研究表明，拟议的固态 AM 技术可以成功制造出固态铝合金，并获得与锻造状态相当的机械性能。这种新型固态 AM 技术可使各种可打印性差的合金广泛应用于各行各业，以生产安全关键型和几何形状简单的大型结构部件。

铝合金被广泛应用于飞机、汽车、卡车、火车和公共汽车等交通工具中，用于节能轻质结构和减少二氧化碳排放。与传统的金属制造工艺相比，高性能铝结构件的快速成型制造（AM）工艺可以大大节省材料，因此前景非常广阔。例如，目前典型的驾驶舱窗框是由大型锻造板加工而成的，浪费了 98% 以上的材料。

然而，高强度、高性能的铝合金在反复快速熔化和凝固过程中会产生高残余应力、热裂纹和粗大的柱状晶粒，因而打印性能较差。此外，由于铝具有较高的反射率、导热性和化学活性，与钢或钛等其他材料相比，打印铝面临着更大的挑战。因此，由于共晶硅-铝铸造合金具有良好的可焊性，目前大多数铝印刷研究都局限于这种合金。通过参数优化或适当的热处理等工艺调整，硅-铝部件的性能得到了改善。

为了提高高性能铝合金的可印刷性，研究人员致力于成分改性和原位合金化。例如，在选择层熔炼（SLM）过程中，在粉末中添加纳米颗粒作为成核点，可获得无裂纹的AA6061 和AA7075，其微观结构为超细等轴晶，强度与锻造的相当。此外，还在粉末中添加了 4 wt% 的硅，从而使 SLM AA7075 的密度达到 99%，并大大减少了热裂纹。文献采用了一种聚合通用算法，确定了一种有前途的印刷铝合金。通过最小化脆性温度范围，确定了新的最佳成分，该成分具有近乎纯净的面心晶体（FCC）相结构，在打印部件中未观察到热裂纹。这些措施有效地改善了加工性能，但可能会引起明显的成分变化，导致意想不到的性能变化。

解决高性能铝合金印刷适性差问题的另一种方法是固态 AM 方法，即添加剂层在固态下进行粘合，从而避免液固转变引起的问题。例如，最流行的添加剂搅拌摩擦加工（AFSP）就是从搅拌摩擦焊接改良而来。它使用旋转针和粉末、棒或丝作为进料，逐层制造部件。另一种方法是超声波增材制造（UAM），它采用超声波振动将金属箔粘合成近似网状的部件，其基础是每层之间的固态超声波粘合。值得注意的是，不同粘合方法的粘合机理各不相同。与传统的基于熔融的 AM 相比，这些固态 AM 方法由于减少了残余应力水平以及更精细的微观结构，可以生产出裂纹更少的部件。

然而，固态 AM 组件添加层之间的界面机械性能会受到界面质量的限制，界面上氧化物的存在会限制形成令人满意的冶金结合。例如，就 UAM 方法而言，由于界面上残留的氧化物，层与层之间很难形成牢固的结合。此外，对于 AFSP 技术来说，AM 工具磨损也是一个令人担忧的问题，因为杂质可能会进入粘合界面，从而导致成形部件的性能变差、不稳定和不可靠。低劣的结合质量将在很大程度上限制固态 AM 方法在高性能、高价值和安全关键部件（如飞机机身框架部件）生产中的应用。

事实上，基于固态粘合工艺的成型方法有很多，如滚动粘合（RB）、扩散粘合（DB）和热等静压（HIP）。还有一些固态回收工艺，如等通道角压（ECAP）、循环挤压（CEC）、摩擦搅拌挤压（FSE）、热挤压、高压扭转（HPT）、螺旋挤压和火花等离子烧结（SPS），用于固化回收的切屑，常见于铝合金和镁合金。在固态粘接工艺中，空隙和氧化膜是阻碍两个相邻部件与组成材料具有同等粘接质量的两个主要障碍。尽管这些固态技术已经非常成熟，研究也很深入，但在实际应用中，要获得可接受的粘接质量，还需要仔细控制工艺参数和操作。例如，DB 需要超高真空（10-3 Pa）和繁琐的表面处理，以封闭空隙和避免氧化膜的存在。对于轧辊粘接工艺，即使进行了适当的表面预处理，氧化物问题对于铝来说也是不可避免的，并会导致粘接质量下降。Allwood基于冷焊接模型提出了一种流行的冷轧粘接模型，认为应变和应力的影响反映了氧化膜通过间隙被拉伸和挤压的情况。此外，以 Al 芯片固结的热挤压为例，必须考虑挤压模具的设计，以获得较高的剪切应变，从而分散表面的氧化层。在另一个使用 FSC 固结芯片的例子中，不同位置的固结质量存在差异；由于变形较小，空隙和芯片边界靠近边缘。在一定的应力应变状态下，通过计算微空洞来模拟固结圆片的密度。同样，在 DB 过程模拟中，通过模拟原子扩散和塑性变形过程中的微空隙闭合来预测质量。总之，这些空隙和氧化物问题对于固态键合，尤其是铝的固态键合至关重要，但也很棘手。

为了克服上述问题，我们提出了一种新型固态混合成型-键合 AM 技术，该技术结合了挤压和轧制键合工艺。为有效破碎材料自由表面形成的氧化膜，将金属棒挤入氩气屏蔽室。然后将挤出物沉积在 X-Y-Z 移动平台上，通过施加大的界面塑性材料流进行轧制粘接，从而在相邻层之间建立良好的粘接。随后的热处理旨在实现充分的原子扩散，使晶界迁移到粘合界面上，从而将任何残留的细小氧化物碎片封装在晶粒内部，以增强界面强度。

本文介绍了拟议的挤压-轧制-粘合 AM 方法的早期可行性研究，该方法用于生产粘合良好的铝零件。本文特别关注 AM 零件的粘接质量评估。本文由四个主要部分组成。第一部分介绍了第一台 AM 机器原型的开发过程。第二部分介绍了最佳挤压-轧制-粘接加工参数的确定，即轧制减量和粘接温度。第三部分介绍了使用确定的最佳参数对 AM 样品进行拉伸性能评估的情况。最后，在第四部分中，使用 SEM/EBSD 和 TEM 揭示了整个粘合界面的基本微观结构。伦敦帝国学院机械工程系的Jun Jiang团队作了相关研究，其研究成果以“Development of a solid-state extrusion-roll-bonding based additive manufacturing (ERB-AM) technology for aluminum alloys”为题，发表在Additive Manufacturing上。