摘要：土耳其马尔马拉大学、伊斯肯德伦技术大学、盖迪克大学的科研人员报道了关于航空航天结构合金搅拌摩擦增材制造研究进展。相关论文以“A comprehensive review on friction stir additive manufacturing of va
长三角G60激光联盟导读
土耳其马尔马拉大学、伊斯肯德伦技术大学、盖迪克大学的科研人员报道了关于航空航天结构合金搅拌摩擦增材制造研究进展。相关论文以“A comprehensive review on friction stir additive manufacturing of various structural alloys for aerospace applications”为题发表在《Progress in Additive Manufacturing》上。
增材制造技术因其能够成型复杂轻量化结构而备受航空航天领域青睐。然而传统熔融金属增材存在的孔隙、夹杂、偏析、内部空穴及热裂纹等问题，催生了固态搅拌摩擦增材制造（FSAM）技术的发展。该技术通过融合搅拌摩擦焊与增材工艺，在消除凝固缺陷、制备高性能无缺陷构件方面展现出显著优势，尤其适用于航空航天用铝镁合金部件制造。本文系统探讨FSAM在航空航天领域的应用现状，重点分析铝镁合金加工优势与技术挑战，并展望其未来发展方向。随着研究的深入与技术进步，该技术有望在航空航天制造中获得更广泛应用。
图1a液氧法兰，b阿丽亚娜6号火箭Vulcain 2.1演示喷管，c空客A350 XWB首个增材制造钛合金支架连接件
图2 NASA HR-1集成流道喷管
图3采用FSAM在P92钢压力容器上制备MA956强化环，提高抗蠕变性能示意图
图4 FSAM工艺原理示意图
图5 FSAM工艺流程步骤
图6不同转速下搅拌区瞬态温度场分布：a 600 rpm，b 800 rpm（横向速度60 mm/min）
图7FSAM成型试件宏观/显微组织
图8不同工艺参数成型FSAM结构宏观形貌：a 1400/102，b 800/102（白色虚线标示原始界面位置）
图9 a三块钛板FSAM成型Ti-6Al-4V结构，b成型板横截面，c熔核区应力-应变曲线，d拉伸试样断口形貌
图10 a三块P92钢板FSAM成型过程，b最终成型件
图11FSAM成型钢试样：a熔核/热影响/母材分区横截面，b熔核区板条细晶组织，c母材未回火细晶马氏体
图12 a,b镁基功能梯度材料FSAM制备设计图，c,d增材层横截面光学宏观图像
图13 a FSAM成型5083-O/6061-T6/SiC宏观形貌，b-e不同位置光学/SEM显微图像
技术优势与现存不足
本研究系统综述了搅拌摩擦增材制造（FSAM）技术在航空航天材料制备中的应用现状，重点分析了成型件的微观组织与力学性能。现有研究表明：相较于母材，FSAM成型件的强度与延展性均显著提升。剧烈塑性变形诱导的晶粒细化效应，可使材料硬度与强度达到甚至超越传统减材制造（高材料损耗工艺）的水平。该技术还能在较短时间内制备出具有等轴细晶组织、优异力学性能的无缺陷构件，有效解决了熔融增材的技术缺陷。但需注意，FSAM工艺参数必须精确调控以获得理想性能——当热输入不足或过量时，会引发缺陷并降低性能。由于搅拌摩擦工艺通常在材料熔点的0.6-0.9倍温度区间进行，参数优化需满足该温度条件。此外，通过热处理等后处理工艺可进一步优化FSAM构件的力学性能。
FSAM的逐层堆积特性使其具备显著环保与经济优势：作为固态工艺，无需金属熔凝过程，能大幅降低能耗与二氧化碳排放；除镁合金外通常无需保护气体，进一步减少环境负荷。材料利用率高与热变形小的特点，更突显其可持续制造优势。这些特性使FSAM成为航空航天领域替代传统熔融工艺的理想选择。
该技术仍存在局限性：虽在铝镁合金等低熔点材料中表现优异，但应用于航空发动机用高温合金等材料时，会因高黏度与复杂相变面临挑战。此外，FSAM难以成型复杂几何特征（如凸起结构/内腔），需开发多轴联动系统与复合制造技术予以解决。
表面质量是另一关键问题：FSAM构件常需后处理达到理想表面状态。镁/钛等易氧化合金的加工还需保护气体防氧化。值得注意的是，现有研究多聚焦铝镁合金在静态载荷（硬度/拉伸强度）下的表现，而对其动态载荷性能（疲劳/冲击/热循环）的研究明显不足。
发展前景
尽管FSAM属于新兴技术，其发展已取得显著进展。但目前仍缺乏对工艺参数-性能关联性的深入认知，且研究多集中于静态力学性能，循环载荷下的失效行为研究稀缺。通过参数优化制备无缺陷等轴细晶构件，可有效提升层状材料的性能表现。未来亟需加强动态载荷（高/低周疲劳、冲击、热循环）研究，这对强调结构完整性的航空航天应用尤为重要。
FSAM在制备高强度低孔隙率轻量化构件（特别是铝镁合金）方面具有独特优势，被视为实现简单几何构件高性能轻量化制造的潜在固态工艺。预计其长期使用性能将比肩传统制造技术。该技术在金属基复合材料（MMCs）领域潜力突出：通过在铝合金基体中引入碳化硅（SiC）/硼化铝（AlB₄）等陶瓷增强相，可制备具有更高强度、耐磨与耐蚀性的MMC部件，这将显著拓展其在汽车、航空航天等工业领域的应用。
论文链接：
Bozkurt, Y., Avşar, A., Korgancı, M. et al. A comprehensive review on friction stir additive manufacturing of various structural alloys for aerospace applications. Prog Addit Manuf (2025). https://doi.org/10.1007/s40964-025-01160-y
长三角G60激光联盟陈长军转载
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