荷蘭特文特大學(xué)《JOM》采用摩擦螺桿擠出增材制造的AA6060固態(tài)增材制造！

來源： 增材在線

對于許多由于冶金問題而無法通過基于熔合的方法進(jìn)行加工的沉淀型鋁合金來說,，固態(tài)增材制造是一種有價值的替代方案。2023年8月17日,，荷蘭特文特大學(xué)的研究人員在《JOM》期刊發(fā)表最新研究成果“SolidStir Additive Manufacturing: A Novel Deformation-Based Additive Manufacturing Using Friction Stir Technology”,，采用新開發(fā)的固態(tài)摩擦螺桿擠出增材制造(FSEAM)方法來研究AA6060T6的加工性能與打印速度的關(guān)系,。

在這項工作中，通過沉積50層1毫米厚,、14毫米寬和150毫米長的沉積層,，以100毫米/分鐘至250毫米/分鐘的打印速度制造了各種壁狀結(jié)構(gòu)。橫截面中未觀察到重大缺陷,，所有結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)均顯示平均尺寸為2-4μm的等軸晶粒,。在層的沉積方向上提取的所有拉伸測試樣本都獲得了有希望的機械性能。對于沿構(gòu)建方向提取的樣本,，只有用足夠高的法向力制造的構(gòu)建件才能確保連續(xù)沉積層之間的正確粘合,，從而顯示出與沉積方向相似的結(jié)果。制造過程中獲得的相對較高的溫度導(dǎo)致150-250mm/min樣品的強化沉淀物溶解,，如鋸齒狀屈服效應(yīng)所示,。這些樣品的制造后熱處理成功，部分恢復(fù)了原料硬度,。

圖1. (a) FSEAM 設(shè)置,、(b) 工具間隙（外殼壁和螺釘之間的垂直距離）以及 FSEAM 的附加支撐邊緣（可提高打印精度）的示意圖。

圖2. (a) 使用 AA6060 T6 作為原料,，通過 FSEAM 工藝在 AA2024 基板上構(gòu)建的印刷 AA6060 的宏觀圖像,。構(gòu)建兩側(cè)的黑色虛線矩形表示構(gòu)建的較大寬度，這是由于在開始新層沉積之前打印頭在 z 方向上的垂直移動相對較慢,。(b) 200 毫米/分鐘構(gòu)建的表面質(zhì)量的更多細(xì)節(jié),，描繪了具有相當(dāng)均勻邊緣的相對光滑的表面。(c) 以 100 毫米/分鐘的低打印速度制造的模型的表面質(zhì)量,，呈現(xiàn)出波浪狀邊緣和不均勻的外觀,。

圖3. (a) 以 100 毫米/分鐘、150 毫米/分鐘,、200 毫米/分鐘和 250 毫米/分鐘的不同打印速度制造的模型的橫截面概覽圖,。比例尺對所有構(gòu)建都有效。(b) 制造結(jié)構(gòu)的整體橫截面,，帶有黑色虛線矩形,，表示 (a) 中所示的更詳細(xì)研究的區(qū)域。(c) 由于后續(xù)層之間的粘合質(zhì)量低而在 100 毫米/分鐘的低打印速度下經(jīng)常觀察到的制造缺陷,，如白色箭頭所示,。(d) 在 250 mm/min 的打印速度下，沉積層之間無重大缺陷且結(jié)合狀況良好,。

關(guān)鍵結(jié)論

在這項研究工作中,，采用新開發(fā)的FSEAM工藝作為固態(tài)增材制造方法來制造AA6060 T6的結(jié)構(gòu)，并研究100毫米/分鐘至250毫米/分鐘的不同打印速度對可加工性、微觀結(jié)構(gòu)和研究了機械性能,。

結(jié)果表明,，通過在高溫下施加足夠的法向力，可以通過連續(xù)沉積層來制造沒有宏觀缺陷的固體結(jié)構(gòu),。微觀結(jié)構(gòu)分析顯示平均尺寸為2-4μm的細(xì)等軸晶粒,，沒有可檢測到的晶體結(jié)構(gòu)。

在沉積方向（水平）和構(gòu)建方向（垂直）上進(jìn)行的拉伸測試結(jié)果顯示,，作為打印速度的函數(shù),，拉伸強度值從120MPa增加到145MPa，斷裂伸長率從30%減少到25%,。水平拉伸樣品獲得了最佳性能,，而垂直樣品的結(jié)果強烈依賴于工藝溫度和施加的法向力。構(gòu)建方向上250毫米/分鐘的樣品顯示出有希望的結(jié)果,，這可能是因為后續(xù)層之間充分混合并且不存在非粘合區(qū)域,。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，根據(jù)AA6060成分的偽二元Al-(Mg,Si)相圖,，在足夠高的溫度下制造的結(jié)構(gòu)存在鋸齒狀屈服,，以達(dá)到單相區(qū)域。

制造結(jié)構(gòu)的硬度值受到FSEAM工藝的熱機械性質(zhì)的影響,。因此,，觀察到硬度從T6條件下的80HV降低到竣工條件下的40HV。當(dāng)初始工藝溫度足夠高以溶解沉淀物并增加顯微組織中溶質(zhì)原子/原子簇的量時,，特別是當(dāng)工藝引起的再加熱時間相對較短時,，制造后熱處理部分提高了硬度。

對于具有小的裂紋狀沉積缺陷的樣品,，觀察到剪切狀斷裂模式,，而不是延性的、富含韌窩的斷裂表面,，這證實了樣品在垂直構(gòu)建方向上的拉伸測試的初步失效,。

FSEAM 工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提高打印狀態(tài)下的機械性能,，并實現(xiàn)優(yōu)化的后處理熱處理,。

論文引用：
Rezaeinejad, S.S., Strik, D.H., Visser, R.M. et al. Solid-State Additive Manufacturing of AA6060 Employing Friction Screw Extrusion Additive Manufacturing. JOM (2023). https://doi.org/10.1007/s11837-023-06053-5