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侧向搅拌摩擦增材制造：工艺解析、组织演变与性能优化研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代制造业中，增材制造技术正逐渐成为推动产业升级和创新发展的关键力量，它突破了传统制造方法的诸多限制，能够实现复杂形状零部件的直接制造，大大缩短了产品研发周期，降低了生产成本。搅拌摩擦增材制造作为一种新型的固相增材制造技术，近年来受到了广泛关注。它基于搅拌摩擦焊的原理，在材料不发生熔化的情况下，通过搅拌工具与材料之间的摩擦生热和机械搅拌作用，使材料产生塑性变形并实现逐层堆积，从而制造出三维实体零件。

侧向搅拌摩擦增材制造作为搅拌摩擦增材制造的一种独特方式，在制造业中占据着重要地位。与传统的增材制造技术相比，侧向搅拌摩擦增材制造具有诸多显著优势。从制造过程来看，它无需高能热源，避免了高能束成形工艺能源利用效率低的问题，同时也不需要气体保护，简化了制造流程，降低了设备成本和操作难度。在材料适用性方面，侧向搅拌摩擦增材制造可以使用板材、旋转棒料和粉末等多种规格的材料，适用材料范围广，原料形态选择灵活，为不同领域的应用提供了更多可能性。而且，该技术能够制造更大尺寸的零部件，其开放式的操作环境，类似于数控加工中心的设备特点，使得生产过程更加便捷，可按需进行扩展从而制造更大型部件。

在航空航天领域，对于高性能金属结构件的需求日益增长，这些构件不仅要具备轻量化的特点，还需要拥有优异的力学性能和可靠性。侧向搅拌摩擦增材制造技术的出现，为解决这一难题提供了新的途径。通过该技术制造的铝合金、钛合金等构件，具有晶粒细小的锻造等轴晶组织，与高能束成形工艺的柱状晶组织形貌不同，这种微观结构使得构件的力学性能各向同性，有效提升了材料的强度、韧性和疲劳性能，能够满足航空航天装备对关键构件力学性能的严格要求，为航空航天领域的发展提供了有力支持。在汽车制造领域，随着对汽车轻量化和节能减排的要求越来越高，铝合金等轻质材料的应用越来越广泛。侧向搅拌摩擦增材制造技术可以高效地制造出复杂形状的铝合金零部件，如发动机缸体、轮毂等，不仅提高了生产效率，还能保证零部件的质量和性能，有助于汽车制造商降低生产成本，提高产品竞争力。

研究侧向搅拌摩擦增材制造工艺与组织性能具有重大意义。深入探究该工艺过程中的材料流动、热传递以及力学行为等关键因素，有助于揭示其成形机理，为工艺参数的优化提供理论依据。通过优化工艺参数，可以进一步提高增材制造的精度和质量，减少缺陷的产生，从而提升制造效率和降低成本。了解侧向搅拌摩擦增材制造过程中材料微观组织的演变规律以及组织与性能之间的内在联系，能够为开发新型材料和改善材料性能提供指导。这对于满足不同领域对材料性能的多样化需求，推动相关领域的技术进步具有重要作用。

1.2国内外研究现状

侧向搅拌摩擦增材制造作为搅拌摩擦增材制造领域的重要分支，近年来在国内外受到了广泛的研究关注，取得了一系列显著成果。

国外对侧向搅拌摩擦增材制造的研究起步较早，美国的Aeroprobe公司率先开展了相关技术的探索，并成功研发出同轴送料式搅拌摩擦增材制造工艺，后更名为“MELD”技术。该技术凭借其独特的空心旋转工具设计，实现了金属棒材从中心孔直接压入或粉末等颗粒原料通过螺旋杆旋转挤压进入搅拌工具与基材之间的高效送料方式，能够以高沉积速率逐层沉积材料，在铝合金、镁合金、铝锂合金等多种金属材料的增材成形方面展现出良好的应用潜力，甚至可用于金属与塑料、陶瓷等异种材料的连接。Kandasamy等人运用该技术成功制备出WE43镁合金试件，其力学性能优于同质基材，验证了技术的可行性。Phillips等人则深入研究了该工艺过程中材料显微组织的演变规律、热-机耦合成形机理以及传热、传质和力学性能的影响因素，为工艺的工程应用提供了坚实的理论基础。此外，Jeffrey对搅拌工具进行了优化设计，研究了不同形状内部通道对棒料扭力传递的影响，发现多边形通道形状的搅拌工具扭力传递更为均匀，并研发出多种搅拌工具端面纹路，明确了平端面搅拌工具可使沉积层表面质量更好，而凸点或渐开线等端面纹路能提高成形件层间结合强度。波音公司的Rogie针对棒料连续送进机制展开研究，提出了转盘式、链条式、齿轮式等多种高效棒料填充方法，有效提升了增材成形的效率与质量。

在国内，侧向搅拌摩擦增材制造技术的研究也在逐步深入。众多科研机构和高校纷纷投入到该领域的研究中，取得了不少有价值的成果。一些研究团队通过实验和数值模拟相结合的方法，对侧向搅拌摩擦增材制造过程中的材料流动行为进行了深入分析，揭示了材料在搅拌工具作用下的塑性变形和迁移规律，为优化工艺参数和提高增材质量提供了理论依据。还有学者对不同材料在侧向搅拌摩擦增材制造过程中的微观组织演变进行了系统研究，发现热输入是影响组织演变的关键因素，通过合理控制热输入