荷蘭特文特大學《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構。橫截面中未觀察到重大缺陷，所有結構的微觀結構均顯示平均尺寸為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。對于沿構建方向提取的樣本，只有用足夠高的法向力制造的構建件才能確保連續(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果。制造過程中獲得的相對較高的溫度導致150-250mm/min樣品的強化沉淀物溶解，如鋸齒狀屈服效應所示。這些樣品的制造后熱處理成功，部分恢復了原料硬度。

圖1. (a) FSEAM 設置、(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 基板上構建的印刷 AA6060 的宏觀圖像。構建兩側的黑色虛線矩形表示構建的較大寬度，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/分鐘構建的表面質量的更多細節(jié)，描繪了具有相當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。比例尺對所有構建都有效。(b) 制造結構的整體橫截面，帶有黑色虛線矩形，表示 (a) 中所示的更詳細研究的區(qū)域。(c) 由于后續(xù)層之間的粘合質量低而在 100 毫米/分鐘的低打印速度下經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合狀況良好。

關鍵結論

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的結構，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、微觀結構和研究了機械性能。

結果表明，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構。微觀結構分析顯示平均尺寸為2-4μm的細等軸晶粒，沒有可檢測到的晶體結構。

在沉積方向（水平）和構建方向（垂直）上進行的拉伸測試結果顯示，作為打印速度的函數，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，而垂直樣品的結果強烈依賴于工藝溫度和施加的法向力。構建方向上250毫米/分鐘的樣品顯示出有希望的結果，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。

應力-應變曲線顯示，根據AA6060成分的偽二元Al-(Mg,Si)相圖，在足夠高的溫度下制造的結構存在鋸齒狀屈服，以達到單相區(qū)域。

制造結構的硬度值受到FSEAM工藝的熱機械性質的影響。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原子/原子簇的量時，特別是當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建方向上的拉伸測試的初步失效。

FSEAM 工藝需要進一步優(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