洞察
“界面的存在会干扰位错的运动，使位错在界面处堆积或偏转。这种位错行为的改变会影响材料内部的应力分布，进而影响晶粒的取向和生长方向，最终导致微观组织的变化。”
近期，南京航空航天大学柔性成形技术与装备研究团队博士生周泽星（第一作者）、沈一洲教授（通讯作者）、郭训忠教授（通讯作者）在材料工程领域Top期刊《Journal of Materials Processing Technology》（IF=6.7）上发表了题为“Interface stair-like design and repair performance of Al-Zn-Mg-Cu aluminum alloy based on additive friction stir deposition”的研究论文。
作者
周泽星，沈一洲*，吕万程，熊卫彪，何兆儒，林岳宾，周子凡，郭训忠**
通讯作者邮箱
shenyizhou@nuaa.edu.cn
guoxunzhong@nuaa.edu.cn
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2025.118758
研究背景与意义
Al-Zn-Mg-Cu 合金（7XXX 系列铝合金）凭借其高强度和耐腐蚀性，在航空航天和交通装备领域具有重要应用。然而，极端工况下，这些铝合金部件易出现磨损、冲击和腐蚀等表面损伤。传统的修复方法会对材料性能产生负面影响，如热影响区大、元素偏析等。
搅拌摩擦沉积增材（AFSD）作为一种新兴的固态增材制造技术，在合金部件修复中展现出独特优势，如晶粒细化显著、能耗低和修复速度快等，能有效避免热裂纹、大变形和高残余应力等问题。但目前 AFSD 修复质量的影响因素尚不明确，本研究旨在通过设计不同的修复结构，探究界面阶梯化设计对 AFSD 修复铝合金性能的影响，为铝合金修复工艺的设计与优化提供参考。
内容简介
本论文针对铝合金表面损伤缺陷，阶梯化设计并加工制备出不同的修复结构(V形槽-Vgroove，阶梯V形槽-Vstair，U形槽-Ugroove，阶梯U形槽-Ustair)，利用本团队自主研发的 AFSD 设备开展修复实验。系统性研究了不同修复结构设计对 Al-Zn-Mg-Cu 铝合金 AFSD 修复性能的影响，揭示了界面阶梯化结构设计对于修复后微观组织与性能的调控机制。
图1 铝合金表面实际缺陷和预制损伤槽修复结构设计尺寸示意图
图2 AFSD 修复过程和修复设备示意图
研究发现与结论
1、最佳修复工艺参数探究
通过分析修复过程中理想和实际情况下的材料体积变化，推导并提出进给速率（Vf）-横移速率（Vt）协调方程，给定修复层厚度Hr，可确定合适的Vf/Vt比值，以保证修复过程参数的合理性和完整性。基于上述准则，列出不同修复参数组合，以探究其对修复效果的影响。实验参数包括不同的转速、进给速度和横向速度。研究发现转速对产热有非线性影响，400°C 的修复峰值温度配合适当热输入能实现最佳的材料塑化流动性。确定最佳 AFSD 修复参数为：转速ω 450 rpm， 横移速率Vt 128.3 mm/min， 进给速率Vf 51.3 mm/min，这些参数能确保最佳的产热、材料流动性和修复质量。
图3 修复过程参数探究
图4 修复层形貌与产热表征
2、修复过程材料流动与界面连接
在最佳修复参数下，对四种不同结构损伤槽修复后进行观察分析，发现Vgroove和Vstair在修复区填充程度较好，Ugroove和Ustair填充相对不足，其中Vstair的有效修复深度最大。修复区前进侧（AS）界面在修复过程中被破碎重构，修复界面呈锯齿状，界面结合质量优于后退侧（RS）。此外，Vgroove和Vstair的修复材料与基体材料微观结构混合明显，为典型的冶金结合，修复质量更佳。
在AFSD修复过程中，工具头与基体摩擦热是主要热源，影响材料软化和填充效果，当修复结构达到一定深度会因热量不足导致材料无法有效混合。以Vstair为例，阶梯化结构有效增加了接触面积，促进了材料混合和界面结合，旋转的修复工具头带动进料与基体接触，在轴向力作用下，进料因摩擦热软化。修复结构边缘在搅拌头作用下破碎，软化材料流入损伤槽并与阶梯结构相互作用。在轴向力作用下，大剪切变形促进了修复界面处材料的混合与连接，表明合理的修复结构设计对AFSD修复质量有着重要影响。
图5 AFSD修复后损伤槽的横截面形态和局部放大金相图
图6 Vstair 修复过程中的材料流动和结构变化示意图
3、修复过程微观组织演变
修复区域的晶粒呈现明显的等轴细晶特征，其中具有阶梯化结构的损伤槽修复区域晶粒细化效果更为突出。Vstair修复区域平均晶粒尺寸为3.07μm，相较于原始基体材料，晶粒细化93.9%，而普通结构的晶粒细化程度相对较低。分析可知，修复过程中材料发生了连续动态再结晶行为(CDRX)。对比修复前后晶界取向角发现，原始基板中大部分为低角度晶界，修复后四种结构的高角度晶界平均占比均高于低角度晶界。此外，阶梯化修复结构有助于在修复过程中晶粒分割，进一步细化了晶粒。这是因为修复时搅拌摩擦产生的外部变形力使材料内部产生应力，随着变形程度增加，初始晶粒被拉长变薄，在亚晶界影响下，晶界变得锯齿状，由于阶梯结构的存在，增大了外部剪切应力，使得界面附近区域产生几何动态再结晶(GDRX)。
图7 不同结构修复后的EBSD分析结果
对Vstair结构在修复界面处进行元素与第二相分析发现，修复界面处存在元素分布不均匀，修复区域主要为粗大的S相（Al2CuMg）、Al-Fe相和部分η相（MgZn2），平均尺寸在30-50nm。基体区域则主要是尺寸为8-15nm的η相。同时，修复区域的强化相η相占比减少，且相较于基体区域，其内部的η相沉淀更粗大、不均匀。这是由于修复过程产生的热量增加了铝合金内部元素的扩散率，促使形成更大尺寸的沉淀相，部分初始η相发生溶解或再沉淀，导致其分布变稀疏。这种沉淀相的变化使得合金在塑性流动时阻碍位错运动的能力下降，粗大的S相和Al-Fe相还易引发应力集中，降低材料的塑性韧性和界面结合强度。
图8 Vstair修复结构界面两侧的 TEM 结果
4、修复后性能分析
显微硬度结果显示，修复区域的硬度值普遍低于基体材料，且低硬度区域形状与修复结构的横截面相似。其中，Vstair的平均硬度在修复区域中最高，在修复界面处存在明显的软化区和硬度分布过渡层。对于Ustair和Ugroove结构，由于在修复过程中向基板输入的热量较大，导致修复区域微观结构过时效，出现沉淀相的溶解和粗化现象，进而形成更显著的软化区，对基板硬度影响更大；而Vgroove和Vstair结构的软化区相对较窄，对基板硬度影响较小。从微观角度来看，TEM图像显示修复区域的MgZn2相分布相较于基体减少，也验证了修复区域硬度降低的现象。
图9 修复区截面的显微硬度分布
拉伸测试表明，四种修复结构在前进侧（AS）的极限抗拉强度（UTS）和断裂伸长率高于后退侧（RS），Vstair在AS侧的UTS最高（294 MPa）。在RS侧因材料混合不佳，界面力学性能较差。由于在 AS侧修复时，工具头的旋转搅拌作用会破碎基体晶粒，随着热输入增加和修复材料流动性增强，基体与进料晶粒间发生动态再结晶，同时界面阶梯状结构增大了接触面积，强化了修复区域与基板的连接，使得修复区域能保持较高的抗拉强度和延展性。而在 RS 修复时，使用的平头工具头致使材料混合效果欠佳，无法有效破碎基体晶粒，热输入相较 AS侧不足，使得填料-基体界面结合程度较差，进而导致两侧力学性能差异明显。
图10 四种修复试样的拉伸性能
Vstair拉伸试样断口分析显示，AS侧存在塑性和脆性断裂特征，RS侧多为脆性断裂。AS侧塑性断裂区域有微腔合并、小凹陷及典型的韧性断裂特征，脆性断裂区域呈现厚且长的河流状花样；RS 侧存在大凹陷区域和非均匀穿晶断裂特征，进一步直观地解释了 RS 室温拉伸强度较弱的原因。
图11 Vstair拉伸试样断口形貌
以Vstair为例的中性盐雾测试表明，修复区域耐腐蚀性优于基体。盐雾腐蚀后，基板黑化、腐蚀产物多，修复区域腐蚀程度轻。从微观角度来看，修复区域在修复过程中，材料在搅拌头的摩擦热作用下，形成了比基体更细小且均匀分布的晶粒结构。这种细晶结构增加了晶界数量，而晶界能够有效阻碍腐蚀介质的扩散和渗透，从而提高修复区域的耐腐蚀性能。与此同时，修复区域和基体区域在沉淀相的类型和分布上存在差异。修复区域沉淀相数量减少或尺寸发生变化，使得其对腐蚀的抵抗能力增强，而基体区域由于晶粒尺寸较大且存在微裂纹等缺陷，更容易受到腐蚀介质的侵蚀，腐蚀产物的保护作用也较弱，最终导致修复区域的耐腐蚀性优于基板区域。
图12 Vstair试样中性盐雾腐蚀试验后表面形貌与性能表征
5.结论
· 提出进给速率-横移速率协调方程，对修复层宽度和厚度以及修复过程中的温度变化进行统计分析，得出最佳修复参数为ω :450 rpm，Vt :128.3 mm/min，Vf :51.3 mm/min。
· 四种损伤槽的前进侧在修复过程中被破坏并重建，修复后原来规则的界面变成锯齿状，前进侧的界面结合质量明显优于返回侧。Vstair 的修复质量和晶粒细化效果最好，与基材相比，晶粒细化 93.6%。
· 连续动态再结晶是修复过程晶粒细化的主要机制，界面阶梯化结构可提供额外的剪切变形效应，增加材料的接触面积，并发生几何动态再结晶，有效促进晶粒细化。
· 采用界面阶梯化设计的损伤槽在修复后显示出更好的拉伸性能（Vstair 达到 294 MPa）。损伤槽修复后，基体和修复区域之间存在明显的性能差异。界面修复区域的耐腐蚀性能优于基体区域。
· 本文以 Al-Zn-Mg-Cu 合金的修复为重点，揭示了 AFSD 技术在该领域的巨大潜力及其在工程应用中的高度适用性。然而，在修复过程中，如何进一步探索和优化热输入控制、界面结构调节以及结构与基体的精确匹配等问题还需要进一步研究。
南京航空航天大学柔性成形技术及装备研究团队始终坚持“立足空天、服务国防”的科研理念，以高质量党建引领高质量发展，以服务国家和国防重大需求为牵引，系统开展柔性成形基础理论、关键技术攻关、数字化柔性精确成形装备研发与航空航天重大工程应用等工作。目前，团队具有国家级高层次人才、国家级青年人才、重大基础研究项目首席科学家、中国科协青年托举、博新计划等教师8名、博士研究生20余名、硕士研究生60余名。
团队承担某国家级人才项目、国家重大基础研究项目、国家重大转化项目、国家科技重大专项（07）、国家重点研发计划重点专项、领域基金重点项目、国家级青年人才项目、国家自然科学基金项目（重点、面上、青年、国合）以及江苏省重点研发计划重点项目、国际合作项目等30余项，千万级项目4项；另外承担国防军工型号预研、民口科技成果转化关键技术和工艺研发等企业横向项目等20余项。团队获授权专利110余件，出版中英文学术专著6部，发表学术论文240余篇【Nature Communications (IF=16.6)，Progress in Materials Science（IF=37.4），International Journal of Machine Tools & Manufacture（IF=14）】，牵头制定国家标准4项；荣获江苏省科学技术一等奖、军事科技进步二等奖、国防技术发明二等奖、教育部科技进步二等奖、日内瓦国际发明展特别金奖（大会最高奖）等省部级奖8项。
来源
NUAA柔性成形技术与装备研究团队 l
南航《JMPT》：基于搅拌摩擦沉积增材技术的 Al-Zn-Mg-Cu 铝合金界面阶梯化设计及其修复性能研究
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