以下文章来源于沈航增材
1.研究意义与目的
为实现中大型复杂高强铝合金结构件的增材制造，增材制造结构件之间的连接是必不可少的。然而，传统的焊接工艺容易导致结构件的变形并引入其他缺陷。搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)是一种固态连接工艺，由于其较低的热输入与缺陷成形，已被广泛应用于航空航天、航海、汽车等领域。为了进一步发挥增材制造的优势，为中大型复杂高强铝合金结构件的增材制造提供新思路。本文以205A铝合金为研究材料，结合电弧熔丝增材制造技术以及搅拌摩擦焊接技术，对电弧增材205A铝合金结构件的搅拌摩擦焊接进行了系统研究，从其组织、性能及应用出发，为大尺寸电弧增材铝合金结构件的搅拌摩擦焊接提供了理论基础及工程指导。图1为电弧熔丝增材制造系统、搅拌摩擦焊接示意图、取样位置等。
图1. (a)WAAM系统；(b)搅拌摩擦焊示意图；(c)FSW接头取样位置和照片；(d)拉伸试样尺寸
2.结果
2.1 搅拌摩擦焊接接头宏观组织与显微组织
2.1.1 宏观组织
通过光学显微镜观察了电弧增材205A铝合金FSW接头(FSW接头)的宏观形貌，如图2所示。FSW搅拌头影响区域分为五个区域：轴肩影响区(Shoulder-affected zone, SAZ)、焊核区(Nugget zone, NZ)、热机械影响区(Thermo-mechanically affected zone, TMAZ)、热影响区(Heat-affected zone, HAZ)和基材区(Base material, BM)。由于轴肩影响区和焊核区的晶粒和析出相演化机制相似，因此将其统称为搅拌区(Stir zone, SZ)。受WAAM过程中逐层制造工艺的影响， FSW接头处观察到明显的分层现象，即层间区域和层内区域。值得注意的是，在FSW后，层间区域在一定程度上得以保留，如图2中的区域1所示。在FSW接头处观察到了“洋葱环”结构。FSW接头具有良好的焊接质量，在搅拌摩擦工具影响的区域内，气孔几乎被完全消除，未观察到明显的体积缺陷(如气孔，未熔合等)。
图2. 电弧增材205A铝合金FSW接头的宏观组织
2.1.2 晶粒结构
通过EBSD分析了不同区域的反极图(Inverse pole figures, IPF)，如图3所示。总体而言，FSW接头中未发现晶粒的择优取向，整体织构强度较低。
图3. FSW接头不同区域的反极图：(a)宏观组织；(b)轴肩影响区；(c)焊核区；(d)热机影响区；(e)热影响区；(f)基材区
2.1.3 析出相
在FSW接头中，在不同区域均发现了大量的大尺寸析出相(θ相)，如图4所示。随着与焊缝中心距离的增加，大尺寸析出相被破碎的程度逐渐减小，且固溶进铝基体的比例逐渐减小，更多的 析出相被保留。
图4. FSW接头不同区域的显微组织图：(a)轴肩影响区；(b)焊核区；(c)热机影响区；(d)热影响区；(e)基材区；(f)不同区域的θ相占比
通过透射电镜观察电弧增材205A铝合金和电弧增材205A铝合金FSW接头，如图5所示。在电弧增材205A铝合金的透射电镜图像中，观察到一些小尺寸θ相，未发现位错。然而，在FSW接头的搅拌区内发现了大量的位错，且位错之间相互作用，相互纠缠，形成的位错纠缠。在位错的扩展路径中，发现了一些点状θ’相和Cd相。
图5. TEM图：(a) 电弧增材205A铝合金；(b)位错；(c)位错纠缠；(d)在位错扩展路径上的θ’相；(e)元素分布
2.2 搅拌摩擦焊接接头力学性能
FSW接头试样和电弧增材205A铝合金试样(WAAM试样)的极限抗拉强度(UTS)、屈服强度(YS)和伸长率(Elongation)，如图6所示。FSW接头的极限抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为224.4 MPa、116.2 MPa和9%。相较于WAAM试样在沉积方向上的力学性能，FSW接头的极限抗拉强度仍保持较高水平，且屈服强度和伸长率分别比WAAM试样提高了13.04%和1.22%。FSW接头不仅保持了较高的强度，还具有更好的塑性。
图6. FSW接头和WAAM试样的强度和伸长率
电弧增材205A铝合金FSW接头的断口横截面照片如图7所示。可以看出，FSW接头与基材之间存在着良好的结合，断裂位置在基材区内，断口角度为45°。
图7. FSW接头的断口横截面
3.搅拌摩擦焊接接头组织演化机理
3.1 宏观组织演化
在搅拌摩擦焊过程中，材料发生了严重的塑性变形。搅拌摩擦焊在大多数情况下是一种挤压过程。搅拌头前面的材料经过一定塑性变形后被挤压到搅拌头后面，导致了“洋葱环”结构。在塑性变形不充分的区域，部分层间区域得以保留。搅拌摩擦焊接头的气孔数量明显减少。搅拌摩擦焊接过程中严重的塑性变形导致气孔被分解和消除。在搅拌摩擦焊接过程中，塑性变形和热对焊缝区域不同位置的影响是不同的。因此，各个区域的组织演变不同，焊缝区域可分为轴肩影响区、焊核区、热机影响区、热影响区和基材区。
3.2 晶粒演化
在搅拌摩擦焊过程中，晶粒的演化通常被认为是多种机制作用下的综合结果，如图8所示。搅拌头周围材料受到了强塑性变形、摩擦热和变形热的共同作用。在搅拌摩擦焊接的初始阶段，晶粒开始发生塑性变形，内部的内应力和位错密度逐渐增大。但在初始阶段的温度低于Al-Cu合金的再结晶温度，材料内部未发生动态再结晶。当温度高于Al-Cu合金的再结晶温度时，出现少量动态回复晶粒和再结晶晶粒。当温度达到峰值时，材料的塑性变形停止，材料开始冷却。此时材料内部的组织由细小的再结晶晶粒和动态回复晶粒组成。动态回复和再结晶过程中不断释放内应力和位错。当温度低于再结晶温度时，再结晶停止。但在高温和内应力的作用下，再结晶晶粒将持续生长，纳米级的初始再结晶晶粒将长大到微米级。
3.3 析出相演化
在搅拌摩擦焊接过程中，析出相的演化机制被揭示，如图8所示。FSW接头的基材区由粗大网状θ相组成。在搅拌摩擦焊接的初期阶段，θ相在塑性变形的作用下发生变形和断裂。但此时的温度低于固溶温度，θ相只存在物理形态上的变化，尺寸更加细小，分布更加均匀，θ相的数量和百分比不变。随着塑性变形的继续，当温度高于θ相的固溶温度时，θ相开始溶入铝基体，且温度越高，θ相溶入铝基体的速度越快。当温度低于固溶温度时，θ’相开始析出并生长，但由于FSW接头的冷却速度较快，θ’相生长的时间不充分，因此得到的θ’相的尺寸要小于正常热处理后获得的θ’相。
图8. FSW过程中晶粒及析出相的演化机制示意图
3.4 搅拌摩擦焊接接头强化机制
FSW接头的力学性能优于WAAM制造的205A试样。θ’相对FSW接头有一定的析出相强化作用，相较于基材区提升了约11.16 MPa的屈服强度。再结晶产生的细小晶粒提供的晶界强化能够提高屈服强度。与基材区相比，搅拌区的晶界强化效果提高了6.59 MPa。再结晶后保留了一些位错，对FSW接头起到了一定程度的位错强化作用。FSW处理后，搅拌区位错强化效果降低约3 MPa。综上所述，。因此，FSW接头的力学性能优于基材(电弧增材205A铝合金)。
4. 主要结论
(1) FSW接头具有良好的焊接质量，未检测到明显的焊接缺陷。
(2) FSW接头的各个区域均发生了不同程度的再结晶。搅拌区的再结晶程度最高，晶粒尺寸最小，约为5 μm，且具有较高比例的高角度晶界。总体而言，不同区域的织构强度和位错密度均处于较低水平。
(3) FSW接头中存在θ’相。在搅拌摩擦焊接过程中，部分Al2Cu相在变形热与摩擦热的作用下，固溶进铝基体中，并再次析出。Cd和位错促进了θ’相的析出。
(4) FSW接头的力学性能优于电弧增材205A铝合金(基材)。FSW接头的极限抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为224.4 MPa、116.2 MPa和9%。
论文原文：Zhou S., Wu K., Yang G., et al. Friction stir welding of wire arc additively manufactured 205A aluminum alloy: Microstructure and mechanical properties[J]. Materials Science and Engineering: A, 2023: 145154.
https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145154
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