石 磊，李 陽，肖亦辰，武傳松，劉會(huì)杰

(1 山東大學(xué) 材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250061；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

增材制造(additive manufacturing，AM)，又稱為“3D打印”，不同于傳統(tǒng)機(jī)械加工的減材制造以及鑄造、鍛壓等有模制造，它是在三維計(jì)算機(jī)模型的基礎(chǔ)上，通過材料的逐層累積構(gòu)造實(shí)體零件的材料成形制造技術(shù)[1-3]。增材制造技術(shù)作為一種先進(jìn)的材料成形智能制造方法，得到了各國政府、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)的廣泛關(guān)注，我國在“十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要”中明確提出要“發(fā)展增材制造”，提升制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力；“中國制造2025”規(guī)劃中也明確提出加快增材制造前沿技術(shù)和裝備的研發(fā)。相比于傳統(tǒng)制造技術(shù)，增材制造具有加工成本低、周期短、原材料利用率高、設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)點(diǎn)，已在航空航天、軌道交通、生物醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。

目前，增材制造成形材料主要有金屬、非金屬、復(fù)合材料和生物材料等，其中備受關(guān)注的金屬增材制造技術(shù)主要是基于熔焊的熔融增材制造技術(shù)(見圖1)，其原理都是在保護(hù)氣體或真空條件下，利用高能量熱源(包括激光、電子束、等離子束、電弧等)，按預(yù)設(shè)的軌跡對(duì)金屬材料(包括粉末、絲材等)進(jìn)行加熱，使其快速熔化、凝固并逐層堆積成所需構(gòu)件[5]。金屬熔融增材制造根據(jù)熱源形式的不同主要有激光增材制造、電子束增材制造、電弧增材制造等。但是，鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕質(zhì)金屬材料在熔融增材制造的過程中不可避免地產(chǎn)生一些因熔化和凝固而導(dǎo)致的缺陷[2]，如內(nèi)部孔隙、未熔合、氣孔、熱裂紋、合金元素?zé)龘p、局部冶金缺陷等，特別是鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金由于導(dǎo)熱性好、熔點(diǎn)低、線膨脹系數(shù)大等原因?qū)е略霾暮笞冃未?、組織成分不均勻等缺陷更為嚴(yán)重。

圖1 典型金屬增材制造技術(shù)Fig.1 Typical metal additive manufacturing technologies

表1為金屬固相增材制造技術(shù)與熔融增材制造技術(shù)的特征比較[6]。如表1所示，與熔融增材制造技術(shù)相比，固相增材制造過程中不存在金屬的熔化與凝固，能夠很好地避免出現(xiàn)上述熔融增材缺陷，較好地解決了鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕質(zhì)金屬熔融增材制造的弊端，因而在輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)的增材制造中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[7-12]。目前主要的固相增材制造技術(shù)包括超聲波增材制造技術(shù)[12]、冷噴涂增材制造技術(shù)[7]和基于摩擦的增材制造技術(shù)[8-11]等。

表1 金屬固相增材制造技術(shù)與熔融增材制造技術(shù)的特征比較[6]Table 1 Comparison of characteristics between metal solid phase AM and fusion-based AM techniques[6]

基于摩擦的增材制造技術(shù)是基于摩擦焊接的原理，通過摩擦生熱軟化材料，并在一定擠壓作用下使得待增材金屬與基材(或已增材層)相連接，最終制造增材構(gòu)件的方法，主要包括旋轉(zhuǎn)摩擦增材、線性摩擦增材和基于攪拌摩擦的增材制造技術(shù)[13]?；跀嚢枘Σ恋墓滔嘣霾闹圃旒夹g(shù)主要是通過工具頭與工件材料之間的摩擦產(chǎn)熱以及工具頭的攪拌作用使材料發(fā)生塑性變形做功，致使待增材的金屬材料熱塑化，并在工具頭的攪拌和頂鍛作用下與基材或已增材層相結(jié)合，最終通過熱塑化材料的逐層累積成形為結(jié)構(gòu)件[6]。與熔融增材制造相比，基于攪拌摩擦的固相增材制造過程中不發(fā)生金屬材料的熔化與凝固，避免了熱裂紋和孔隙率的問題，增材構(gòu)件的致密度高、殘余應(yīng)力低，增材構(gòu)件的質(zhì)量更高；固相增材過程中不需要特殊的真空腔室或保護(hù)氣體，靈活性更好，可增材構(gòu)件的尺寸范圍更大、增材速度更快、能耗和成本更低，在大型輕質(zhì)合金構(gòu)件的增材制造中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，近年來引起了越來越多的關(guān)注[6,8-11，13]。本文重點(diǎn)綜述了國內(nèi)外在基于攪拌摩擦的固相增材制造技術(shù)及其工藝機(jī)理方面的研究進(jìn)展，分析了未來攪拌摩擦固相增材制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

1 基于攪拌摩擦的固相增材制造原理及技術(shù)

攪拌摩擦焊接(friction stir welding，F(xiàn)SW)是由英國焊接研究所于1991年發(fā)明的新型固相焊接技術(shù)，如圖2所示，其主要是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭(包含軸肩與攪拌針)插入待焊工件中，在攪拌頭的摩擦擠壓和旋轉(zhuǎn)攪拌作用下，由摩擦產(chǎn)熱和塑性變形做功使攪拌頭附近的材料受熱發(fā)生塑性變形，在攪拌頭沿待焊界面移動(dòng)的過程中，熱塑化的材料從攪拌頭前方遷移至攪拌頭后方，不斷填充攪拌頭后方形成的空腔，最后在攪拌頭軸肩的擠壓作用下實(shí)現(xiàn)固相連接[14-16]。攪拌摩擦焊接技術(shù)相比于傳統(tǒng)的熔焊具有很大的優(yōu)勢(shì)。在FSW過程中不涉及材料的熔化和凝固，且材料在高速旋轉(zhuǎn)攪拌頭的熱機(jī)械攪拌作用下發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，可以顯著細(xì)化晶粒并提高組織的均勻性。此外，F(xiàn)SW過程中不產(chǎn)生弧光、飛濺、煙塵等，且無需保護(hù)氣體，焊接溫度和能耗低，自動(dòng)化程度高，是一種綠色、環(huán)保、低能耗的焊接技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)金屬的焊接[16]。

圖2 攪拌摩擦焊接原理 (a)對(duì)接焊；(b)搭接焊Fig.2 Schematic figures of friction stir welding process for butt joint (a) and lap joint (b)

基于攪拌摩擦的固相增材制造技術(shù)是以攪拌摩擦焊為基礎(chǔ)，通過攪拌頭(消耗型或者非消耗型)的摩擦產(chǎn)熱和塑性變形做功，使得待增材金屬與已增材金屬堆積，如此反復(fù)使材料按設(shè)計(jì)要求逐層堆積，從而獲得增材構(gòu)件的新型固相增材制造技術(shù)[8-11]。根據(jù)其增材制造過程的工藝特點(diǎn)，可分為三類：第一類是將薄板疊加，基于攪拌摩擦搭接焊原理，將金屬薄板逐層連接在一起，從而獲得增材構(gòu)件的攪拌摩擦增材制造(friction stir additive manufacturing，F(xiàn)SAM)工藝[17-19]，其原理如圖3(a)所示[9]；第二類采用中空的攪拌頭(圖3(b))[9]，通過添加粉末或絲材進(jìn)行固相攪拌摩擦沉積增材制造(additive friction stir deposition，AFSD)[20-22]；第三類采用消耗型棒材(圖3(c))[9]，通過棒材的摩擦表面處理(friction surfacing，F(xiàn)S)，形成增材層的摩擦表面沉積增材制造(friction surfacing deposition additive manufacturing，F(xiàn)SD-AM)[23-25]技術(shù)。

圖3 三類基于攪拌摩擦的固相增材制造工藝原理[9](a)攪拌摩擦增材制造技術(shù)；(b)攪拌摩擦沉積增材制造技術(shù)；(c)摩擦表面沉積增材制造技術(shù)Fig.3 Schematic representation of three type solid phase additive manufacturing processes based on friction stir[9](a)FSAM;(b)AFSD;(c)FSD-AM

基于攪拌摩擦的固相增材制造技術(shù)與基于熔焊的熔融增材制造技術(shù)相比，在增材制造的過程中可以避免產(chǎn)生氣孔、裂紋、冶金等缺陷，增材區(qū)的力學(xué)性能好，在輕質(zhì)金屬增材制造領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢(shì)。三類基于攪拌摩擦的固相增材制造技術(shù)的基本原理和典型應(yīng)用材料情況如表2所示[13]。

表2 三類基于攪拌摩擦的固相增材制造工藝原理與典型應(yīng)用材料情況[13]Table 2 Comparison of working principle and application materials for three type solid phase additive manufacturing based on friction stir technologies[13]

2 攪拌摩擦增材制造

板材堆積型攪拌摩擦增材制造技術(shù)是以攪拌摩擦搭接焊為基礎(chǔ)進(jìn)行板材的層層堆積實(shí)現(xiàn)增材，其具體的增材工藝過程如圖4所示[19]。首先將待增材板放置于基板之上，并進(jìn)行裝夾固定，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌針穿透待增材板和基板之間的搭接界面并插入基板一定深度，隨著攪拌頭按設(shè)定行進(jìn)速度沿規(guī)劃的路徑移動(dòng)，形成第一層第一道增材區(qū)；根據(jù)所需增材件的寬度，進(jìn)行多道次增材，實(shí)現(xiàn)第一層增材；在進(jìn)行第二層增材前，對(duì)第一層增材表面進(jìn)行切削加工和打磨處理，保證增材層表面平整且與下一層增材板界面緊密貼合；將新的待增材板放置于已增材層之上，并重復(fù)上述攪拌摩擦增材步驟，實(shí)現(xiàn)多層增材，最后根據(jù)所需實(shí)體構(gòu)件的形狀，對(duì)增材體的有效增材區(qū)進(jìn)行后續(xù)加工，得到最終增材構(gòu)件[19-21]。

圖4 攪拌摩擦增材制造工藝過程圖[19]Fig.4 Schematic arrangement of friction stir additive manufacturing[19]

2.1 FSAM工藝實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

早在2002年White就申請(qǐng)了使用攪拌摩擦焊進(jìn)行增材制造的專利[26]，但并未深入開展相關(guān)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。隨后Airbus(空客)公司在2006年首次將攪拌摩擦焊運(yùn)用到增材制造領(lǐng)域中[27]。此后，美國北德克薩斯州大學(xué)的Mishra教授團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用FSAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了AA5083鋁合金的固相增材[18]，獲得的增材構(gòu)件的平均硬度為104HV，高于原始基材的88HV，增材構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度超過了350 MPa。其后，他們對(duì)WE43鎂合金FSAM過程工藝實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SAM過程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶作用細(xì)化了增材區(qū)的晶粒，在避免增材區(qū)孔洞缺陷的基礎(chǔ)上，采用相對(duì)較低的熱輸入可以獲得性能優(yōu)于鎂合金基材的增材構(gòu)件[17]。在優(yōu)化的工藝參數(shù)下，獲得了抗拉強(qiáng)度高達(dá)400 MPa且伸長率為17%的鎂合金增材構(gòu)件，遠(yuǎn)高于鎂合金基材的357 MPa和2.9%。

影響FSAM成形成性的工藝參數(shù)較多，除了與FSW相同的攪拌頭轉(zhuǎn)速、下壓力/下壓量、行進(jìn)速度、攪拌頭形狀及尺寸、攪拌頭傾角等之外，還有其自身特有的參數(shù)，如增材間距、同向或逆向增材、層間距等。國內(nèi)外學(xué)者在FSAM工藝參數(shù)優(yōu)化方面開展了大量卓有成效的研究。FSAM的增材道間距影響增材區(qū)的成形成性和增材效率。孫金睿等[28]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在其所采用的工藝條件下，當(dāng)增材道間距超過4 mm時(shí)，增材區(qū)域中心會(huì)形成較大的未結(jié)合缺陷。王忻凱等[29-30]研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)減小增材道間距有利于消除界面未結(jié)合缺陷。增材道間距決定了增材區(qū)的成形情況，過大的增材道間距(兩道之間的搭接率低于15%時(shí))會(huì)導(dǎo)致未結(jié)合缺陷，但過小的增材道間距(兩道之間搭接率超過30%時(shí))會(huì)影響增材制造效率。當(dāng)兩道之間的搭接率為20%時(shí)，在兼顧增材效率的同時(shí)可以獲得相對(duì)較好的增材成形[31]。

Mao等[32]基于AA7075鋁合金的FSAM工藝實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)界面鉤狀缺陷易出現(xiàn)于增材區(qū)前進(jìn)側(cè)。趙梓鈞等[33-34]開展了2195-T8鋁鋰合金FSAM工藝實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相鄰兩層采用相反的行進(jìn)方向可以有效抑制鉤狀缺陷，改善界面弱連接，從而獲得更好的增材構(gòu)件性能。相比于相鄰兩道之間行進(jìn)方向相同的同向增材，兩道行進(jìn)方向相反的逆向增材能夠更好地控制遷移界面形態(tài)，增大有效增材寬度[29]。孫金睿等[28]也得到相同的研究結(jié)論，這說明在FSAM時(shí)，改變相鄰兩增材層或增材道次之間的行進(jìn)速度方向，能夠有效調(diào)控塑性材料的流動(dòng)行為，抑制增材界面缺陷，有利于改善增材區(qū)的成形。

攪拌頭形狀及尺寸決定了FSAM熱過程和塑性材料流動(dòng)行為，對(duì)FSAM成形成性具有重要影響。趙梓鈞等[33-34]研究了5種不同形狀的攪拌頭對(duì)FSAM成形的影響，發(fā)現(xiàn)相比于三角平面圓臺(tái)狀、三凹圓弧槽反圓臺(tái)狀和圓柱狀攪拌針，采用偏心圓柱和三凹圓弧槽狀攪拌針可以促進(jìn)增材區(qū)塑性材料的上下流動(dòng)混合，有效減小界面鉤狀缺陷、改善界面弱連接。鄒勝科[31]也發(fā)現(xiàn)，采用三凹槽圓柱帶螺紋的攪拌針，配合內(nèi)凹同心圓環(huán)的軸肩，可以獲得良好無缺陷的增材成形。上述研究證明，選用合適的攪拌頭，促進(jìn)兩層材料之間的塑性流動(dòng)混合，對(duì)于抑制FSAM增材界面缺陷具有重要意義。

攪拌頭轉(zhuǎn)速和行進(jìn)速度是影響FSAM構(gòu)件成形成性的重要參數(shù)。攪拌頭轉(zhuǎn)速與行進(jìn)速度之比決定了熱輸入，進(jìn)而影響增材界面的遷移量、增材區(qū)的形狀以及有效增材寬度等。增材層界面的遷移量和增材區(qū)的有效寬度均隨行進(jìn)速度的增加而減小，界面遷移量隨轉(zhuǎn)速的增加而增大[28-30]。行進(jìn)速度過大致使熱輸入減小，材料軟化不充分，容易在增材區(qū)形成隧道型孔洞缺陷[31]。增大轉(zhuǎn)速能夠提高熱輸入，增加界面遷移量和增材區(qū)有效寬度，但過大的熱輸入容易引起增材區(qū)的材料軟化，使增材構(gòu)件的力學(xué)性能降低[31]。

與熔融金屬增材不同的是，在FSAM過程中，增材層不僅經(jīng)歷了熱作用，還經(jīng)歷了較為明顯的機(jī)械攪拌和塑性變形作用，而不同增材層經(jīng)歷了不同的熱力作用，使得不同增材層的力學(xué)性能存在一定差異。在進(jìn)行后續(xù)增材時(shí)，會(huì)對(duì)已增材層有再加熱作用，使已增材層的晶粒發(fā)生長大、析出相發(fā)生粗化和溶解?？傮w上，后增材層的晶粒更細(xì)小、硬度更高，使得FSAM構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度存在梯度，沿增材厚度方向，抗拉強(qiáng)度逐漸增加[32,35]。但采用輔加外場(chǎng)強(qiáng)冷的手段，可以抑制后續(xù)增材熱過程對(duì)已增材層的再熱軟化作用，有效避免已增材層的性能弱化，使得不同增材層的性能更加均勻一致[36]。雖然FSAM構(gòu)件的各向異性程度遠(yuǎn)低于熔融增材制造，但FSAM構(gòu)件在行進(jìn)方向上的抗拉強(qiáng)度與增材方向上的抗拉強(qiáng)度也略有差異。FSAM過程中增材區(qū)材料在攪拌頭的熱力攪拌作用下發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶作用生成均勻細(xì)小的等軸晶，使得行進(jìn)方向上的抗拉強(qiáng)度一般略高于基材；而在增材方向，由于存在增材層界面的影響，其抗拉強(qiáng)度一般略小于基材[29-31]。

以上FSAM均以常規(guī)攪拌頭作為增材工具，其材料的利用率較低、后續(xù)加工量較大。為此，國內(nèi)外學(xué)者提出采用靜軸肩攪拌頭的FSAM技術(shù)，相關(guān)的工藝實(shí)驗(yàn)研究表明，靜軸肩FSAM基本可以實(shí)現(xiàn)鋁合金近凈成形增材制造，基材的利用率接近90%[19,37]。除了鋁合金與鎂合金的FSAM外，伊朗學(xué)者Khodabakhshi等[38]采用FSAM技術(shù)制備了高分子聚合物與不銹鋼的層狀復(fù)合增材構(gòu)件，所獲得的增材構(gòu)件的彎曲性能達(dá)到了玻璃鋼的90%，證明了FSAM技術(shù)在聚合物與鋼的層狀復(fù)合增材成形制造中的優(yōu)勢(shì)。

FSAM作為一種固相增材技術(shù)，還可以在增材過程中添加特殊的微/納顆粒作為增強(qiáng)體，原位制備功能梯度增材構(gòu)件[39]或者鋁基復(fù)合增材構(gòu)件[40-41]以及合金的表面強(qiáng)化[42]。Sharma等[39]通過FSAM原位制備了TiC微米顆粒增強(qiáng)功能梯度鋁合金，獲得了所需的功能梯度復(fù)合材料。Srivastava等[41]也采用FSAM工藝，制備了SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合增材構(gòu)件，增材區(qū)的顯微硬度相比于鋁合金基材提升了62%。Roodgari等[42]采用FSAM方法，在St52鋼表面增材IF鋼，制備了IF-St52復(fù)合鋼板。Ho等[43]采用FSAM工藝，制備了羥基磷灰石復(fù)合AZ31B鎂合金增材構(gòu)件，其耐腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于鎂合金基材。上述研究證明，F(xiàn)SAM具有實(shí)現(xiàn)不同材料的原位復(fù)合固相增材制造的潛質(zhì)。

這些工藝實(shí)驗(yàn)研究對(duì)于定性分析工藝參數(shù)對(duì)增材區(qū)域微觀組織和增材構(gòu)件力學(xué)性能的影響具有重要意義，但難于揭示FSAM過程中的材料塑性流動(dòng)行為和溫度場(chǎng)的變化，尤其難以揭示后增材層對(duì)已增材層的重新攪拌和加熱過程的影響規(guī)律，無法建立增材工藝參數(shù)與增材構(gòu)件成形成性之間的定量關(guān)系。

2.2 FSAM多場(chǎng)耦合過程的數(shù)值模擬研究進(jìn)展

FSAM過程是一個(gè)摩擦產(chǎn)熱、傳熱、擠壓、攪拌、固態(tài)焊合、材料流動(dòng)與變形、擴(kuò)散再結(jié)晶等多個(gè)物理過程相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)，所涉及的“熱-力-流”多物理場(chǎng)耦合作用極其復(fù)雜，加上FSAM本身固有的特殊性(如高溫、大變形、材料流動(dòng)不可視、工藝參數(shù)繁多且相互耦合等)，同時(shí)受限于目前的測(cè)試手段，難以單純通過工藝實(shí)驗(yàn)來揭示FSAM工藝機(jī)理[44]。因此，開展FSAM過程的數(shù)值模擬，對(duì)于揭示FSAM過程中的多物理場(chǎng)耦合作用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)工藝過程的優(yōu)化控制具有重要意義。為此，國內(nèi)外學(xué)者借鑒FSW數(shù)值模擬研究成果，初步開展了FSAM熱過程和微觀組織演變等方面數(shù)值模擬仿真研究[44-48]。

Zhang等[44-45]建立了鋁合金FSAM熱過程的有限元模型，研究了增材過程中的溫度場(chǎng)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著增材層的增加，其峰值溫度略有降低。在此基礎(chǔ)上，他們建立了增材區(qū)晶粒演變的蒙特卡洛模型和析出相演變模型，研究了FSAM熱過程對(duì)增材區(qū)微觀組織及性能的影響，發(fā)現(xiàn)后增材層較低的峰值溫度弱化了增材區(qū)析出相的溶解與粗化，使得后增材層的硬度與抗拉強(qiáng)度均有所提升。李如琦等[46]采用CFD方法，建立了鎂合金FSAM“熱-流”耦合數(shù)值模型，并基于Zener-Hollomon參數(shù)預(yù)測(cè)了增材區(qū)的晶粒尺寸，發(fā)現(xiàn)后增材層的平均晶粒尺寸更細(xì)小、平均硬度值更高。此外，張昭等[47]還分析了鈦合金FSAM熱過程和增材區(qū)晶粒的演變規(guī)律，也發(fā)現(xiàn)后增材層的晶粒尺寸更細(xì)小，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

總體來看，目前對(duì)FSAM熱過程和塑性材料流變行為的研究還很不深入，F(xiàn)SAM過程中的“熱-力-流”多物理場(chǎng)耦合作用機(jī)制以及增材時(shí)攪拌頭對(duì)已增材層的再攪拌和再加熱的影響規(guī)律仍然不甚清楚。未來還需深入開展FSAM過程的多尺度多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬研究，深入理解FSAM過程的物理機(jī)制，建立FSAM“增材工藝參數(shù)-熱分布-材料流變特征-微觀組織演變-增材構(gòu)件成形成性”之間的相關(guān)性，最終實(shí)現(xiàn)FSAM工藝的優(yōu)化控制。

3 攪拌摩擦沉積增材制造

板材堆積型的FSAM能夠避免熔融增材時(shí)的氣孔、裂紋和合金元素?zé)龘p等問題，但FSAM也存在增材層間未結(jié)合、弱連接等界面缺陷，使得FSAM構(gòu)件存在明顯的分層特征，而且還存在材料利用率低、減材加工量大、增材效率低等問題[22]。為解決FSAM固相增材時(shí)所存在的問題，研究者提出添加絲材或粉末的攪拌摩擦沉積增材制造[20-23]技術(shù)。如圖3(b)所示，AFSD時(shí)采用中空攪拌頭，將金屬粉末或絲材填入旋轉(zhuǎn)的中空攪拌頭，在進(jìn)料力和攪拌頭的攪拌摩擦共同作用下，使填入的材料熱塑化并向下遷移、沉積，隨著攪拌頭沿著預(yù)定軌跡移動(dòng)而形成增材層，完成后攪拌頭上移并進(jìn)行下一層增材，如此反復(fù)，最終成形出所需增材構(gòu)件。與FSAM相比，AFSD具有增材效率高、能耗低、構(gòu)件成形性能好等優(yōu)勢(shì)[6]。

3.1 AFSD工藝研究現(xiàn)狀

2012年，美國Aeroprobe公司基于AFSD工藝原理，開發(fā)了填絲攪拌摩擦增材制造裝備，并將其命名為“MELD”技術(shù)[49]。隨后，學(xué)者開展了大量的工藝實(shí)驗(yàn)研究，探索了鋁合金[50-53]、鎂合金[22]、鈦合金[49]、銅合金[53-54]、鎳基合金[55-56]等金屬的AFSD適用性。研究表明，鋁合金AFSD增材沉積速率可以達(dá)到9～15 kg/h，鋼的沉積速率可達(dá)5 kg/h，鈦合金能達(dá)到2.5 kg/h，鎳基合金可以達(dá)到0.7 kg/h；同時(shí)在攪拌頭作用下增材區(qū)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶致使晶粒細(xì)化，且增材構(gòu)件均表現(xiàn)出較好的各向同性[49-51]。對(duì)AFSD沉積層界面結(jié)合與材料流動(dòng)的分析發(fā)現(xiàn)，增材層與基材之間為冶金結(jié)合，由于攪拌頭使材料發(fā)生激烈塑性流動(dòng)，使得增材界面間存在微觀機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，顯著增強(qiáng)了增材層之間的結(jié)合強(qiáng)度[52]。

AFSD過程中材料經(jīng)歷了劇烈的熱力變形過程，能夠細(xì)化晶粒，有利于提升鎂合金的塑性、降低鎂合金增材構(gòu)件的各向異性。Calvert[22]發(fā)現(xiàn)，無論填充霧化粉末還是絲材，鎂合金的AFSD增材區(qū)均可獲得各向同性的鍛態(tài)組織，增材區(qū)的平均晶粒尺寸僅為2.4 μm，經(jīng)人工時(shí)效處理后增材件的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)超基材。Rivera等[55]對(duì)IN625鎳基合金AFSD的研究也得到了類似的結(jié)論，IN625鎳基合金AFSD增材區(qū)的晶粒細(xì)化，AFSD增材件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1072 MPa，略高于鍛件(965 MPa)，遠(yuǎn)高于鑄件(710 MPa)和等離子弧熔融增材件(721 MPa)。

上述研究主要側(cè)重于靜力實(shí)驗(yàn)，而增材構(gòu)件的疲勞性能對(duì)于構(gòu)件實(shí)際工程應(yīng)用具有重要意義。鋁合金AFSD構(gòu)件的疲勞性能研究表明，AFSD構(gòu)件沿行進(jìn)方向上的疲勞性能優(yōu)于沿構(gòu)筑方向，鋁合金AFSD構(gòu)件的疲勞性能低于時(shí)效態(tài)鋁合金基材，但優(yōu)于退火態(tài)母材[57-58]。此外，對(duì)疲勞斷口分析發(fā)現(xiàn)，與基于熔融增材構(gòu)件的孔隙驅(qū)動(dòng)疲勞斷裂不同，鋁合金AFSD構(gòu)件的致密性好，其疲勞斷裂與基材相同，均為第二相顆粒驅(qū)動(dòng)的疲勞斷裂模式[57]。然而，IN625鎳基合金AFSD構(gòu)件的疲勞研究發(fā)現(xiàn)，AFSD過程細(xì)化了晶粒、破碎了碳化物，使得IN625增材件表現(xiàn)出比基材更優(yōu)異的疲勞性能[56]。

AFSD熱過程和塑性材料流動(dòng)決定了增材區(qū)的宏/微觀組織及性能。Yang[59]利用LS-DYNA商用軟件，實(shí)現(xiàn)了鋁合金AFSD熱流耦合過程的模擬仿真，發(fā)現(xiàn)峰值溫度位于填充絲材端部與基材接觸界面處，達(dá)到基材熔點(diǎn)的78.7%；硬度值最高處位于沉積層頂部。Stubblefield等[60]基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法，研究了填絲速度對(duì)鋁合金AFSD熱過程和材料流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著填絲速度的增加，前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)的溫差逐漸降低；在合理范圍內(nèi)，適當(dāng)增大填絲速度有利于獲得組織性能均勻的沉積層，但過大的填絲速度又會(huì)產(chǎn)生過大的飛邊，降低材料的利用率。

此外，有學(xué)者還利用AFSD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了材料的原位改性或修復(fù)[61-63]。Liu等[62]利用AFSD實(shí)現(xiàn)了AA2024-T351鋁合金表面沉積0.2 mm純鋁，發(fā)現(xiàn)在300～420 ℃的溫度范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)純鋁沉積層與基層之間無缺陷的冶金結(jié)合，沉積的純鋁層大幅度提高了基材的耐腐蝕性能。Griffiths等[63]采用AFSD實(shí)現(xiàn)了AA7075鋁合金通孔和溝槽類缺陷的修復(fù)，發(fā)現(xiàn)修復(fù)位置深處的成形及性能一般略差于表面，由于AFSD熱力作用，修復(fù)處的金屬的硬度比基材略低15%。上述研究證實(shí)了AFSD用于材料原位表面改性和固相修復(fù)的潛質(zhì)。

AFSD作為一種新型固相增材制造技術(shù)，目前學(xué)者已初步探索了AFSD對(duì)不同材料的適應(yīng)性，證明了AFSD的優(yōu)勢(shì)。但AFSD過程中的產(chǎn)熱傳熱機(jī)制、塑性材料流變特征以及工藝參數(shù)對(duì)增材構(gòu)件成形成性的影響規(guī)律等研究仍不夠深入，AFSD工藝機(jī)理仍不清楚，同時(shí)，相關(guān)的AFSD專用設(shè)備的制造與設(shè)計(jì)仍處于起步階段，限制了該新工藝的優(yōu)化及工程應(yīng)用。

3.2 改型AFSD工藝

3.2.1 同步送粉AFSD

基于AFSD相似的原理，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了同步送粉攪拌摩擦沉積增材制造工藝。同步送粉AFSD避免了常規(guī)AFSD將粉末或絲材通過中空攪拌頭進(jìn)行送進(jìn)的弊端，可以直接利用常規(guī)FSW焊機(jī)實(shí)施增材，工藝的適用性更強(qiáng)、柔性更好[64]。印度理工學(xué)院Mukhopadhyay等[64]利用同步送粉AFSD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了純鋁的固相增材，性能測(cè)試結(jié)果表明增材區(qū)的性能遠(yuǎn)高于AA1060-H12純鋁，抗拉強(qiáng)度和伸長率分別提高了36%和54%，拉伸斷口呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂特征，這些都是增材區(qū)晶粒細(xì)化的結(jié)果。此外，同步送粉AFSD還可以通過在粉末中混合增強(qiáng)顆粒，原位制備金屬基復(fù)合增材構(gòu)件。Li等[65]利用Al粉末和Ti-6Al-4V基板，通過同步送粉AFSD技術(shù)，在鈦合金基板表面制備了Ti3Alp/Ti-6Al-4V復(fù)合層。研究表明，同步送粉AFSD過程中的熱力效應(yīng)促使Ti/Al發(fā)生原位冶金反應(yīng)，生成Ti3Al金屬間化合物，提升了鈦合金表面的耐磨性能。上述研究說明，同步送粉AFSD不僅能夠?qū)崿F(xiàn)固相增材制造、表面改性，還具備功能梯度材料和復(fù)合材料原位制備的潛質(zhì)。

3.2.2 擠壓-黏合復(fù)合增材制造(hybrid metal extrusion and bonding additive manufacturing,HYB-AM)

擠壓-黏合復(fù)合增材制造技術(shù)也是AFSD的改型之一[66-68]。HYB-AM主要采用特制的攪拌頭與模具配合，將絲材通過攪拌頭的擠壓，使其與基材結(jié)合，最終形成增材層。HYB-AM過程中攪拌頭轉(zhuǎn)速較低，摩擦產(chǎn)熱量小，主要通過攪拌頭的擠壓使絲材與基材或已增材層結(jié)合，為增強(qiáng)擠出材料與基材之間的冶金結(jié)合，需要對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱。Blindheim等[68]研究發(fā)現(xiàn)，HYB-AM的鋁合金增材熔覆效率可達(dá)2 kg/h，且能量消耗僅為冷金屬過渡電弧增材的30%。此外，由于HYB-AM增材區(qū)鋁合金的熱軟化程度較小，能夠保持與原始絲材相同的力學(xué)性能，但也存在增材層間易產(chǎn)生弱連接缺陷的問題[66-67]。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，填絲速度與熔覆速度的匹配對(duì)于增材層成形成性具有重要影響，過高的填絲速度容易引起材料流動(dòng)模式的改變，使得模具型腔內(nèi)形成氣泡，并使塑性金屬表面發(fā)生氧化，影響增材層間的冶金結(jié)合性能[67]。

4 摩擦表面沉積增材制造

摩擦沉積工藝原理如圖3(c)所示，旋轉(zhuǎn)的可消耗棒材與基材接觸摩擦，使棒材端部軟化，并在軸向力的擠壓作用下沉積于基材上，隨著棒材的橫向移動(dòng)并逐漸下壓，最終在基材上形成單道沉積層[69]。摩擦表面沉積過程中材料不熔化，基板與沉積層之間的不匹配性影響較小，能夠較好地實(shí)現(xiàn)異種材料之間的結(jié)合，且沉積層的晶粒細(xì)小均勻，力學(xué)性能好，可在材料表面沉積耐腐蝕或耐磨層，達(dá)到表面改性的目的，廣泛用于構(gòu)件表面改性及修復(fù)[69-70]。

在摩擦沉積的基礎(chǔ)上，印度理工學(xué)院的Dilip等提出了攪拌摩擦表面沉積增材制造技術(shù)，采用304L不銹鋼消耗棒的攪拌摩擦多層沉積，實(shí)現(xiàn)了直徑20 mm，高度50 mm的實(shí)心圓柱體的增材制造。對(duì)增材結(jié)構(gòu)的測(cè)試表明，各沉積增材層之間結(jié)合良好，后沉積層對(duì)已沉積層的影響較小，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的晶粒粗化[71]。此后，該團(tuán)隊(duì)采用19 mm鋼棒作為消耗棒材，在6 mm厚的鋼板上，實(shí)現(xiàn)了多層多道摩擦表面沉積增材制造。研究發(fā)現(xiàn)，采用磚式沉積結(jié)構(gòu)有利于抑制并消除沉積層之間的界面結(jié)合缺陷，有效提高沉積層間的結(jié)合強(qiáng)度和增材構(gòu)件的力學(xué)性能[23]。

除了鋼以外，學(xué)者們也開展了鋁、鎂合金等輕質(zhì)金屬的FSD-AM增材工藝探索。Elfishawy等[72]采用鑄造Al-Si合金棒材實(shí)現(xiàn)了30 mm高的FSD-AM構(gòu)件增材，微觀組織分析表明增材區(qū)組織均勻、無缺陷，增材區(qū)為細(xì)小的等軸晶，晶粒尺寸為2～5 μm，遠(yuǎn)小于消耗棒材初始的50 μm左右的平均晶粒尺寸。此外，在消耗棒的熱力作用下，消耗棒原始組織中粗大的金屬間化合物得以破碎、細(xì)化并均勻分布于增材區(qū)，大幅度提高了增材區(qū)的性能[72]。然而，Dilip等[25]針對(duì)可熱處理強(qiáng)化的AA2014鋁合金FSD-AM的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SD-AM多層沉積增材的熱作用使得析出相過時(shí)效，導(dǎo)致增材構(gòu)件的力學(xué)性能下降，采用合適的固溶處理可以提升增材件的性能，但也可能會(huì)導(dǎo)致增材區(qū)晶粒的異常長大。此外，F(xiàn)SD-AM也非常適合異種材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的增材制造，例如Shen等[24]在AA2024鋁合金上進(jìn)行了AA5083的FSD-AM增材，由于材料不經(jīng)歷熔化-凝固過程，異種材料界面間結(jié)合良好且不易形成脆硬的金屬間化合物，有利于獲得性能優(yōu)異的異種材料復(fù)合構(gòu)件；但在增材層邊緣也可能會(huì)存在一些未結(jié)合缺陷。上述研究表明，F(xiàn)SD-AM在鋼及異種復(fù)合構(gòu)件的增材中具有明顯優(yōu)勢(shì)，但不同鋁合金FSD-AM增材區(qū)的微觀組織演變機(jī)制差異較大，對(duì)于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，合理的固溶強(qiáng)化處理是提升增材構(gòu)件性能的有效手段。

摩擦表面沉積溫度場(chǎng)是影響沉積層組織與性能的重要因素。德國學(xué)者Kallien等[73]對(duì)摩擦表面沉積過程的測(cè)溫結(jié)果表明，影響產(chǎn)熱量增加的工藝參數(shù)會(huì)使得沉積溫度升高，最終會(huì)獲得寬而薄的沉積層，比如提升摩擦棒的轉(zhuǎn)速和下壓力；而提升焊接速度會(huì)使得沉積溫度降低，有利于獲得窄而厚的沉積層。此外，基板和墊板的散熱能力也會(huì)影響沉積溫度，采用散熱性差的鈦合金墊板代替鋁合金，所獲得的沉積層更寬更薄。上述研究表明，控制摩擦表面沉積增材過程中的溫度場(chǎng)，對(duì)于獲得良好的沉積層成形及性能具有重要意義。Liu等[74]基于摩擦產(chǎn)熱模型，建立了摩擦表面沉積的數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)了摩擦表面沉積溫度場(chǎng)的仿真分析，發(fā)現(xiàn)摩擦預(yù)熱停留不足時(shí)消耗棒徑向溫度場(chǎng)呈M型分布，而合適的摩擦預(yù)熱后則呈現(xiàn)V型分布，這一發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化摩擦預(yù)熱停留時(shí)間提供了理論依據(jù)。

雖然攪拌摩擦表面處理是一項(xiàng)研究相對(duì)較早的表面處理工藝，但將其用于固相增材的研究才剛剛興起。目前，國內(nèi)外學(xué)者也僅僅是開展少量的FSD-AM工藝實(shí)驗(yàn)探索，對(duì)于相關(guān)的專用FSD-AM增材裝備開發(fā)、工藝機(jī)理研究、增材成形成性調(diào)控等方面的研究仍處于起步階段。亟須深入研究FSD-AM工藝機(jī)理、研發(fā)消耗型攪拌棒端部飛邊的控制技術(shù)，更好地調(diào)控FSD-AM增材構(gòu)件的成形成性。

5 基于攪拌摩擦的固相增材制造應(yīng)用現(xiàn)狀

5.1 基于攪拌摩擦的固相增材制造技術(shù)特點(diǎn)

圖5為基于攪拌摩擦的固相增材制造與熔融增材制造的對(duì)比[10,17]。如圖5所示，與熔融增材相比，基于攪拌摩擦的固相增材制造過程中不發(fā)生材料熔化，從而避免了諸如熱裂紋和孔隙率之類的問題，使用更少的能量即可生產(chǎn)致密度高、殘余應(yīng)力低的高質(zhì)量零件，具有能量利用率高，成形構(gòu)件性能好、變形小的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，其增材過程不需要特殊的真空腔室或保護(hù)氣體，靈活性更好，可增材構(gòu)件的尺寸范圍更大、增材速度更快。但基于攪拌摩擦的固相增材制造技術(shù)在制造復(fù)雜構(gòu)件方面仍存在不足，其成形的構(gòu)件以簡單軸對(duì)稱形狀為主。雖然上述三類基于攪拌摩擦的固相增材制造技術(shù)均具有固相增材制造的優(yōu)勢(shì)，能夠避免基于熔融增材時(shí)材料熔化凝固所引起的缺陷，但在參數(shù)匹配不當(dāng)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)隧道、孔洞、未結(jié)合、弱連接等固相增材缺陷。此外，三類固相增材制造技術(shù)又具有各自的特點(diǎn)，如FSAM主要以板材為進(jìn)料，而FSD-AM主要以棒材為進(jìn)料，AFSD則可以根據(jù)需要選用棒材、絲材或者粉末作為增材進(jìn)料。三類基于攪拌摩擦的固相增材制造技術(shù)各自的特點(diǎn)如表3所示。

圖5 基于攪拌摩擦的固相增材制造與熔融增材制造的對(duì)比[10,17]Fig.5 Comparison between solid phase AM and fusion-based AM technologies based on friction stir[10,17]

表3 三類基于攪拌摩擦的固相增材制造工藝的特征對(duì)比Table 3 Characteristics comparison of three kinds of solid phase AM processes based on friction stir

由于FASM采用板材堆積進(jìn)料方式，其增材構(gòu)件具有明顯的分層特征，增材過程容易形成未結(jié)合、弱連接等界面結(jié)合缺陷，導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度低，影響增材件的性能。其次，F(xiàn)SAM每層增材前都需要重新對(duì)進(jìn)料板進(jìn)行裝夾和定位，增材效率和構(gòu)件成形精度相對(duì)較低。此外，F(xiàn)SAM增材結(jié)束后需要根據(jù)成形件的要求進(jìn)行相應(yīng)的減材加工，材料利用率較低。靜軸肩FSAM相比于常規(guī)FSAM可明顯提高材料利用率，實(shí)現(xiàn)近凈成形增材制造。同時(shí)，靜軸肩還可根據(jù)需要，加工成不同的形狀，便于特殊增材構(gòu)件的控形控性。

AFSD增材件的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能無明顯的各向異性，其沉積增材層均勻，層間無明顯的界面缺陷，沉積層間無需機(jī)加工便可持續(xù)進(jìn)行增材，其增材效率高、增材構(gòu)件性能好。此外，AFSD的進(jìn)給材料形式多樣(粉末、棒料、絲材等均可作為增材進(jìn)給材料，通過中空攪拌頭進(jìn)行添加)，增材制造成本更有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)功能梯度復(fù)合材料的增材制造。但AFSD的成形受限于機(jī)床設(shè)備，對(duì)設(shè)備要求較高；且目前對(duì)AFSD增材構(gòu)件的成形成性一體化調(diào)控方面的研究仍較少，其增材構(gòu)件成形成性穩(wěn)定性仍有待提高。AFSD除了應(yīng)用于增材制造外，還可用于涂覆、修復(fù)和連接，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

FSD-AM的最大特點(diǎn)是消耗棒材充當(dāng)了攪拌工具，提高了材料的利用率和靈活性，但也對(duì)消耗棒材提出了更高的要求，消耗棒材的直徑過小會(huì)使得增材效率低；消耗棒材的直徑過大不利于成形控制，且對(duì)機(jī)床設(shè)備的要求較高。此外，F(xiàn)SD-AM過程中沉積層邊緣容易形成未連接缺陷，且增材件的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能也表現(xiàn)出較為嚴(yán)重的各向異性。除了增材外，F(xiàn)SD-AM在構(gòu)件缺陷修復(fù)與表面改性方面也具有巨大潛力。

5.2 基于攪拌摩擦的固相增材制造技術(shù)的應(yīng)用

目前，基于攪拌摩擦的固相增材制造的研究仍處于起步階段，研究者們探索了三類基于攪拌摩擦的固相增材制造技術(shù)在不同金屬材料中應(yīng)用的可能性。雖然FSAM只能制造簡單幾何形狀的構(gòu)件(如圖6[6,17,25,49]中用于制造飛機(jī)蒙皮和壁板的加強(qiáng)筋等)，但是作為一種固相增材制造方法，對(duì)于鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金增材，F(xiàn)SAM過程溫度較低，產(chǎn)品變形小、殘余應(yīng)力低、制造成本低且構(gòu)件具有良好的使役性能，易于實(shí)現(xiàn)(現(xiàn)有FSW設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)FSAM)，因此，該工藝方法具有解決輕質(zhì)合金增材構(gòu)件性能較差這一問題的潛力[17]。

圖6 基于攪拌摩擦的固相增材制造的典型構(gòu)件及其潛在應(yīng)用領(lǐng)域[6,17,25,49]Fig.6 Typical manufacturing components and potential application of AM technologies based on friction stir[6,17,25,49]

AFSD技術(shù)具有更好的靈活性，可制造更復(fù)雜的構(gòu)件(圖6)，但相對(duì)來說該工藝的實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜，需要依賴專門的AFSD增材設(shè)備。目前，美國弗吉尼亞州MELD制造公司已研制出AFSD設(shè)備，如圖6所示[6,17,25,49]。AFSD技術(shù)獲得美國戰(zhàn)略環(huán)境研究與發(fā)展計(jì)劃(SERDP)的資助，以支持研究其作為回收戰(zhàn)場(chǎng)廢金屬的方法，用于戰(zhàn)場(chǎng)維修和制造。目前該公司已實(shí)現(xiàn)直徑1.85 m鋁合金構(gòu)件的增材制造(圖6)，該技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件的商業(yè)化快速增材制造。

FSD-AM技術(shù)在攪拌摩擦表面處理的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，該技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，可應(yīng)用的材料范圍廣，但消耗型棒材在增材過程中容易失穩(wěn)，從而影響增材構(gòu)件精度，因此，主要應(yīng)用于構(gòu)件表面熔覆與改性。

6 結(jié)束語

基于攪拌摩擦的金屬固相增材制造技術(shù)，與傳統(tǒng)基于熔融的增材制造技術(shù)相比，在航空航天、軌道交通、新能源汽車等工業(yè)領(lǐng)域的輕質(zhì)合金構(gòu)件制造方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了多種材料的攪拌摩擦固相增材制造的可行性研究和初步的工程應(yīng)用研究，證實(shí)了該固相增材制造技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。與熔融增材相比，基于攪拌摩擦的固相增材制造的構(gòu)件性能更優(yōu)異、制造能耗更低、成形尺寸更大、速度更快，在鋁合金、鎂合金和鈦合金等輕質(zhì)合金大型構(gòu)件的增材制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但目前對(duì)于該新型固相增材制造技術(shù)的研究仍處于起步階段，關(guān)于該新工藝所涉及的工藝機(jī)理、工藝過程的優(yōu)化控制以及增材構(gòu)件可靠性等方面的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，尚未形成系統(tǒng)的工藝基礎(chǔ)理論和數(shù)據(jù)庫來指導(dǎo)該技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用。

為了拓展該新型固相增材制造技術(shù)的應(yīng)用，未來仍需深入系統(tǒng)地研究以下方面：(1)深入開展基于攪拌摩擦的固相增材制造工藝的基礎(chǔ)理論研究，進(jìn)行系統(tǒng)的工藝過程多物理場(chǎng)多尺度模擬仿真，揭示該新工藝所涉及的復(fù)雜熱物理機(jī)制，為增材構(gòu)件的成形成性調(diào)控提供基礎(chǔ)理論指導(dǎo)；(2)系統(tǒng)開展不同材料的攪拌摩擦固相增材制造研究，論證其增材構(gòu)件的穩(wěn)定性與可靠性，建立工藝參量與增材構(gòu)件成形成性之間相關(guān)性的數(shù)據(jù)庫，為該技術(shù)的進(jìn)一步工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；(3)開展復(fù)合材料、特種新型材料的攪拌摩擦固相增材制造可行性研究，進(jìn)一步拓寬該技術(shù)的應(yīng)用材料領(lǐng)域，推動(dòng)該新型固相增材制造技術(shù)在新型復(fù)合材料增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究；(4)針對(duì)攪拌摩擦固相增材制造技術(shù)所存在的不足，進(jìn)行工藝改型與優(yōu)化，開展外場(chǎng)輔助攪拌摩擦固相增材制造新工藝研究，進(jìn)一步完善相關(guān)工藝裝備的設(shè)計(jì)與制造以及工藝系統(tǒng)的集成控制；(5)在深入揭示該新工藝機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工藝過程的智能化控制，推動(dòng)基于攪拌摩擦的固相增材制造技術(shù)的自動(dòng)化、智能化發(fā)展，滿足現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展的需要，進(jìn)一步推動(dòng)該新技術(shù)在增材制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。