江苏大学任旭东教授团队综述：AFSD高强铝合金析出强化的研究现状及发展趋势

2025-12-25 16:59:53 作者：吴永泰,杜成超,任旭东来源：材料工程分享至：

增材搅拌摩擦沉积（additive friction stir deposition， AFSD）具有沉积温度低、增材质量好、制造效率高等特点，在航空航天制造领域具有广阔的应用前景。本文详细介绍了AFSD技术，深入剖析了AFSD对三类析出强化型铝合金组织和性能的影响规律及机理，并指出了制约高强铝合金构件AFSD制造的关键问题。AFSD在固相下进行沉积，克服了基于激光和电弧沉积的气孔和热裂纹缺陷。然而，在AFSD过程中，由于沉积金属的冷却速度较慢，敏感温度区间的停留时间较长，在增材时后续沉积层对前一层，甚至前几层均有热作用。因此，沉积样品中部与底部的晶内强化相粗大，使得沉积层中下部的强度急剧下降。沉积层顶部不受二次或多次热循环的影响，析出相分布均匀，力学性能较好，但仍低于基体材料。时效处理可使AFSD过程固溶的部分元素再次析出，性能轻微提升，但始终无法达到固溶+时效（T6）的水平。虽然沉积态经过T6处理后可再次形成均匀细小的强化相，使其强度重新达到峰值，但在固溶的同时，沉积材料将发生晶粒的异常长大（abnormal grain growth，AGG）问题，因此，通常不建议对AFSD沉积金属进行固溶处理。为了实现高强度析出强化铝合金构件的AFSD制造，未来还需要在合金化设计、复合强化、工艺创新等方面开展进一步的研究工作。

研究背景

随着航空制造技术的迅猛发展，高端装备对铝合金构件的使役性能和制造工艺提出了越来越高的要求。AFSD增材制造技术使用固体棒材或粉末来进行大型部件快速沉积增材制造，通过结合三维数控机床规划路径可完成大构件的复杂沉积增材，所需工艺、设备及工作环境简单，相较激光/电弧增材铝合金不易产生气孔、裂纹、元素偏聚烧损等缺陷，且沉积效率较高，是航空铝合金构件成型的理想技术之一（图1）。然而，析出强化型铝合金中的析出相在AFSD增材制造过程中粗化规律复杂，对铝合金性能的影响显著，因此，掌握析出强化型铝合金的析出相在AFSD过程中的演化规律，形成析出相形态的控制方法，进而提升AFSD增材制造铝合金的性能仍是重要挑战。本文结合课题组在AFSD增材制造析出强化型铝合金方面的实践经验，总结了国内外在析出强化型铝合金固相增材制造的研究进展，并对未来发展方向进行展望。

图1 AFSD技术及其制造的零件应用

主要创新点

(1) 系统性揭示了AFSD技术对高强铝合金析出强化行为的影响机理。

明确指出AFSD特有的“热历史”问题（沉积温度高、冷却速度慢、后续沉积层对前序层的反复热循环）是导致析出强化相（如Al-Mg-Si系的β''相、Al-Cu系的θ'/S'相、Al-Zn-Mg-Cu系的η'相）发生粗化和溶解，从而造成沉积态构件强度下降的根本原因。阐明了沉积层力学性能（强度、硬度）沿沉积高度呈梯度分布的规律（顶部性能优于中底部），并将其归因于不同沉积区域所经历的热循环次数和峰值温度的差异。

(2) 评估了传统热处理路径在AFSD构件中的应用局限，并提出了新的研究方向。

指出虽然固溶+时效（T6）处理可使AFSD沉积态性能恢复至峰值，但会引发晶粒异常长大（AGG）问题，损害韧性，因此对于大型构件通常不具可行性。指出直接时效处理因沉积过程中固溶原子已大量消耗于粗大相，导致性能提升有限，无法达到传统锻件水平。基于此，提出未来研究的核心应致力于通过材料设计和工艺创新，实现AFSD构件在直接制造后或仅经低温时效后即可达到使用要求。

(3) 提出了实现高性能AFSD高强铝合金构件未来的关键发展路径。

材料设计创新方面，提出开发新型合金体系，如引入对热不敏感的稳定纳米级增强相（复合材料思路），或通过基体合金化设计以延缓粗化析出相的形成，为低温时效创造有利条件。工艺技术创新方面，提出在保证成型性的前提下，通过降低热输入、提高冷却速度（如采用辅助水冷技术）、开发大推力高速AFSD工艺等手段，从源头上抑制析出相的粗化，是提升沉积态性能的有效途径。

主要研究结果结论

国内外的研究已证实了AFSD技术的可行性及独特优势。首先，AFSD制造不涉及材料的熔化与凝固，因此在抑制气孔、裂纹、元素偏析等方面明显优于传统的激光或电弧增材制造技术；其次，它具有显著的成本优势，生产棒材的成本明显低于丝材或粉体；最后，AFSD技术对环境友好，避免了熔融增材过程中产生的光污染和粉尘污染。然而，AFSD的加工过程存在特殊的“热历史”问题，即后续沉积层对前层甚至前几层材料的热影响，这一问题无法通过后时效处理解决。一般AFSD制造后，固溶+时效处理方法会引起工件变形和内部晶粒异常长大。因此，如何利用AFSD技术，使增材制造的零件能够在直接制造后或在低温时效后达到可使用状态，这是未来发展高强铝合金大构件制造所面临的巨大挑战之一。

目前，AFSD技术在高强度铝合金材料的应用尚未普及，且缺乏适用于AFSD技术的高强铝合金材料以及相关制造工艺。高强铝合金的强韧化与析出相密切相关，因此，为实现高强度铝合金的AFSD制造，关键问题包括材料设计和工艺创新：

（1）材料设计需引入新的析出强化方法，如稳定的纳米级增强相，形成复合材料。此外，可以通过基体的合金化设计，控制元素扩散，延长粗大析出相的形成时间和温度，以便在低温时效过程中形成纳米级析出强化相；

（2）在工艺创新方面，需在保证成型性的前提下，降低热输入，提高冷却速度，以抑制析出相粗化。辅助冷却技术，如水冷，也可用于提高沉积金属的冷却速度，降低析出相的粗化倾向。此外，大推力高速AFSD工艺的开发，也利于提高冷却速度以及增材效率。这些材料和工艺的革新对于扩大AFSD技术在高强度铝合金制造中的应用具有重要的科研价值和实践意义。

团队介绍

江苏大学固相制造研究团队成立于2020年，团队面向我国大型航天航空结构件的制造需求，开展了大型构件的固相焊接、增材制造、激光冲击等方面的研究。目前在铝合金的固相焊接与增材制造方面形成了系统研究，包括Al-Mg-Si系、Al-Mg-Li系、Al-Cu系、Al-Zn-Mg-Cu系合金的强韧化设计与制造方面均取得了较大的进展，形成了完备的体系。同时在钛合金、镍基合金、高熵合金的激光冲击强化方面也取得了显著的进步，有望在相关场景得到应用。

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