荷兰特文特大学《JOM》采用摩擦螺杆挤出增材制造的AA6060固态增材制造！

来源： 增材在线

对于许多由于冶金问题而无法通过基于熔合的方法进行加工的沉淀型铝合金来说，固态增材制造是一种有价值的替代方案。2023年8月17日，荷兰特文特大学的研究人员在《JOM》期刊发表最新研究成果“SolidStir Additive Manufacturing: A Novel Deformation-Based Additive Manufacturing Using Friction Stir Technology”，采用新开发的固态摩擦螺杆挤出增材制造(FSEAM)方法来研究AA6060T6的加工性能与打印速度的关系。

在这项工作中，通过沉积50层1毫米厚、14毫米宽和150毫米长的沉积层，以100毫米/分钟至250毫米/分钟的打印速度制造了各种壁状结构。横截面中未观察到重大缺陷，所有结构的微观结构均显示平均尺寸为2-4μm的等轴晶粒。在层的沉积方向上提取的所有拉伸测试样本都获得了有希望的机械性能。对于沿构建方向提取的样本，只有用足够高的法向力制造的构建件才能确保连续沉积层之间的正确粘合，从而显示出与沉积方向相似的结果。制造过程中获得的相对较高的温度导致150-250mm/min样品的强化沉淀物溶解，如锯齿状屈服效应所示。这些样品的制造后热处理成功，部分恢复了原料硬度。

图1. (a) FSEAM 设置、(b) 工具间隙（外壳壁和螺钉之间的垂直距离）以及 FSEAM 的附加支撑边缘（可提高打印精度）的示意图。

图2. (a) 使用 AA6060 T6 作为原料，通过 FSEAM 工艺在 AA2024 基板上构建的印刷 AA6060 的宏观图像。构建两侧的黑色虚线矩形表示构建的较大宽度，这是由于在开始新层沉积之前打印头在 z 方向上的垂直移动相对较慢。(b) 200 毫米/分钟构建的表面质量的更多细节，描绘了具有相当均匀边缘的相对光滑的表面。(c) 以 100 毫米/分钟的低打印速度制造的模型的表面质量，呈现出波浪状边缘和不均匀的外观。

图3. (a) 以 100 毫米/分钟、150 毫米/分钟、200 毫米/分钟和 250 毫米/分钟的不同打印速度制造的模型的横截面概览图。比例尺对所有构建都有效。(b) 制造结构的整体横截面，带有黑色虚线矩形，表示 (a) 中所示的更详细研究的区域。(c) 由于后续层之间的粘合质量低而在 100 毫米/分钟的低打印速度下经常观察到的制造缺陷，如白色箭头所示。(d) 在 250 mm/min 的打印速度下，沉积层之间无重大缺陷且结合状况良好。

关键结论

在这项研究工作中，采用新开发的FSEAM工艺作为固态增材制造方法来制造AA6060 T6的结构，并研究100毫米/分钟至250毫米/分钟的不同打印速度对可加工性、微观结构和研究了机械性能。

结果表明，通过在高温下施加足够的法向力，可以通过连续沉积层来制造没有宏观缺陷的固体结构。微观结构分析显示平均尺寸为2-4μm的细等轴晶粒，没有可检测到的晶体结构。

在沉积方向（水平）和构建方向（垂直）上进行的拉伸测试结果显示，作为打印速度的函数，拉伸强度值从120MPa增加到145MPa，断裂伸长率从30%减少到25%。水平拉伸样品获得了最佳性能，而垂直样品的结果强烈依赖于工艺温度和施加的法向力。构建方向上250毫米/分钟的样品显示出有希望的结果，这可能是因为后续层之间充分混合并且不存在非粘合区域。

应力-应变曲线显示，根据AA6060成分的伪二元Al-(Mg,Si)相图，在足够高的温度下制造的结构存在锯齿状屈服，以达到单相区域。

制造结构的硬度值受到FSEAM工艺的热机械性质的影响。因此，观察到硬度从T6条件下的80HV降低到竣工条件下的40HV。当初始工艺温度足够高以溶解沉淀物并增加显微组织中溶质原子/原子簇的量时，特别是当工艺引起的再加热时间相对较短时，制造后热处理部分提高了硬度。

对于具有小的裂纹状沉积缺陷的样品，观察到剪切状断裂模式，而不是延性的、富含韧窝的断裂表面，这证实了样品在垂直构建方向上的拉伸测试的初步失效。

FSEAM 工艺需要进一步优化，以提高打印状态下的机械性能，并实现优化的后处理热处理。

论文引用：
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