摩擦搅拌增材制造的工业应用：航空航天、造船和水下维修
摩擦搅拌增材制造的工业应用：航空航天、造船和水下维修
摩擦搅拌增材制造（FSAM）技术是一种基于固态工艺的先进制造技术，它在航空航天、造船和水下维修等领域展现出独特的优势。本文将详细介绍FSAM技术的特点及其在不同工业领域的具体应用。
在增材制造这一不断发展的领域中，基于搅拌摩擦的增材制造技术（以下简称为FSAM）尚未得到广泛的认知。然而，它却针对一类具有特殊需求的部件，即简单几何形状的大型关键部件，展现出独特的适应性与重要性。
FSAM技术为固态工艺，制造过程在材料熔点以下，这使其具有诸多优势，突出表现为残余应力低，且相比其他技术不易产生孔隙和热裂纹等缺陷。因此，FSAM技术在制造或修复大型结构方面可替代传统锻造技术，尤其适用于航空航天、海军、核能和汽车等领域。利用FSAM技术可轻松定制部件机械性能，但该技术设计灵活性有限，最适合高性能结构特性与简单几何形状相结合的部件制造或修复工作[1]。
FSAM技术在航空航天领域的应用
大型单一合金预制件——高强度铝合金
1.有效解决热裂问题
在航空航天领域，制造大型单一合金预制件（尤其是强度大于400 MPa的高强度铝合金，如2xXX和7xXX铝合金结构）时，传统熔合式增材制造技术常遇热裂问题，严重影响预制件质量和性能。而FSAM技术是基于熔化温度以下塑性变形的固态工艺，能避免此问题，为大型铝合金预制件制造提供可靠方案。
使用 FSAM制造高性能加强筋/桁条组件的示意图
来源：[1]
- 大型预制件制造
根据波音公司开展的一项研究[2]，在航空航天大型预制件的制造过程中，若采用线性、旋转或摩擦搅拌焊接AM技术，预计在未来25年内，能够实现铝材料体积近50亿磅的减少量，同时还可使二氧化碳排放量降低600亿磅。
采用FSAM在机身扁平蒙皮板上制造纵梁
来源：[1]
在航空航天工业中，铝的消耗量每年约为6.3亿磅，占据每年所用原材料总量的48%。这一数据充分表明，基于摩擦的AM技术对于航空航天工业向更可持续的大型预制件制造方法转变具有重要的推动作用。
- 飞机部件制造
FSAM技术在飞机不同部件的制造方面有着广泛的应用。例如，在制造高性能加强筋/桁条组件方面，它可以通过特定的工艺步骤来实现。具体而言，通过将板材进行组装，从而在工字梁上形成横向加强筋，对于T型接头采用摩擦搅拌焊接，而加强筋则采用摩擦搅拌AM技术。通过这种方式，可以在飞机机身或翼梁的蒙皮板上制造集成纵梁。
FSAM在翼梁腹板中对纵梁和翼肋进行一体化制造 来源：[1]
在这一制造过程中，FSAM工艺中的摩擦机制会引发微观结构的细化，这种微观结构的细化对于具有高Hall - Petch强化能力的合金来说是极为有利的。所谓高Hall - Petch强化能力，即合金的强度随着晶粒尺寸的减小而增加，大多数结构相关的轻质Mg合金以及高温钛合金和钢都具有这一特性。
细晶粒尺寸 来源：[3]
正如霍尔-佩奇关系所揭示的，通过减小晶粒尺寸，材料的强度能够逐步接近其自身的理论强度水平。实际上，随着晶粒尺寸不断减小，材料的强度会持续增加，直至晶粒尺寸达到峰值强度对应的约20 - 30纳米范围[4]。
FSAM技术构建异种合金、分级金属结构
FSAM技术在构建由多种材料制成的结构方面具有独特的能力。在FSAM过程中，强烈的摩擦和剪切运动有助于有效控制不同材料界面处金属间化合物的尺寸和分布。在传统的制造技术中，热膨胀失配常常较为棘手，尤其是在固态制造过程中。然而，对于FSAM技术而言，热膨胀失配不再构成障碍。这一特性使得FSAM技术成为制造分级结构一种切实可行的途径。
FSAM技术维修大型部件
大型部件，例如水力涡轮机转轮、成型模具、发电机齿轮箱部件以及传统基础设施（如工字梁、铁路和各类支柱、框架和支架等），它们通常具有较大的体积，往往达到几立方米的规模。这些部件蕴含着大量的能量，一旦出现故障，其更换工作面临诸多困难。一方面，由于部件的大型化和复杂性，更换所需的成本极高；另一方面，制造新部件需要较长的交付周期，这在很多情况下无法满足实际需求。对于这些大型部件的修复工作，传统修复方法存在一定的局限性。
FSAM技术在大型部件不同损伤程度修复中的应用
- 较大损伤程度修复
若大型部件损坏严重，摩擦搅拌沉积增材制造技术就可发挥优势。该技术能利用大型工具，达到较高制造速度（钢和铝最高约101千克/小时），例如可制造直径约3米的铝环结构。作为固态工艺，它优势众多，能修复可焊与不可焊材料，修复时可有效限制残余应力，避免影响周围材料，防止部件加速损坏而延长使用寿命。旧基础设施通常由不同合金制成，即便原始合金不可用，该技术也能用其他材料修复。
- 摩擦搅拌在修复中的其它优势
此外，摩擦搅拌不仅能产生强大的界面混合和结合，还能有效去除表面污垢、氧化物和腐蚀材料，从而减少加工工作量。即使在异种材料沉积过程中形成脆性金属间相，摩擦搅拌也可能将这些相分解成球状，以减轻应力集中。
FSAM技术在水下修复中的潜在应用——未来的利基应用
水下搅拌摩擦沉积修复技术虽然目前仅在实验室环境中得到了验证，但它对于船舶和潜艇船体、螺旋桨等关键应用的水下修复和制造具有潜在的重要意义。在当前的技术背景下，这些部件的修复工作通常采用熔焊技术来进行。然而，熔焊技术在应用过程中容易产生一系列问题，例如高残余应力、热裂纹以及进料不足等。与之相比，自动搅拌摩擦沉积AM技术不仅能够有效地缓解这些技术修复问题，还能够降低与人类水下作业相关的风险。这使得水下搅拌摩擦沉积修复技术在未来的水下部件修复领域具有广阔的应用前景。
水下搅拌摩擦沉积修复
来源：[2]
综上所述，基于搅拌摩擦的增材制造技术在制造和修复具有简单几何形状的大型高性能结构部件方面具有显著的优势。FSAM技术具备产量高、材料浪费少的特点，并且能够实现不同材料之间的连接。尤为重要的是，这些基于固体的方法通常在低于材料熔点的温度下工作，这有助于减轻残余应力的产生。随着技术的不断发展，FSAM技术有望在更多的领域得到广泛的应用和进一步的发展。
参考文献：
[1]https://link.springer.com/article/10.1007/s11837-014-1271-x
[2]http://www.herox,com/iamhydroround/656/entry/33593
[3]10.1504/IJASMM.2017.082991