华中科技大学材料加工与模具技术国家重点实验室在《Diamond & Related Materials》期刊发表了一篇题为《Strengthening of wire arc additive manufactured aluminium alloy through interlayer rotary friction processing》的论文。文章提出了一种新的基于机器人的WAAM镀层RFP强化方法，以细化晶粒和消除铝合金部件的缺陷。具体而言，将层间RFP应用于不同平均峰值荷载(APLs)作用下的WAAM铝合金壁面，研究了(1)孔隙形态、晶粒微观结构和第二相演化;(2)测试了RFP前后块体的水平和垂直力学性能;(3)阐明了孔隙消除和微观组织强化机理。
铝合金具有质量轻、比强度高等优点，是一种很有发展前途的结构材料，广泛应用于航空航天工业中各种零部件的制造。近年来，利用电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM)技术制造航空航天用大型铝合金构件引起了人们的广泛关注。WAAM技术基于焊接原理，利用电弧热源熔化金属丝材，通过逐层沉积的方式成形构件。该技术使材料成本降低60 %以上，制造周期缩短50 %以上，可实现大型铝合金构件的高效制造。然而，由于粗晶组织和孔隙缺陷，强度不足和力学各向异性是制约WAAM基铝合金应用的重要因素。为了细化WAAM铝合金构件的晶粒和减少缺陷，人们提出了许多有价值的基于层间塑性加工的强化方法。然而，这些方法大多依靠重载装置来保证加工载荷，这在一定程度上增加了WAAM设备的成本。而且，它们的运动机构大多局限于3轴平台，在应用于复杂加工路径时存在诸多局限性。基于机器人的加工方法可以在一定程度上降低设备成本，因为机器人的位移可以提供加工载荷，不需要大型专用的装载平台。而机器人的高自由度也为沿着复杂路径加工提供了更多的潜力。典型的应用包括层间摩擦搅拌加工( FSP )。因此，本研究为了消除丝材电弧增材制造( WAAM )铝合金中的气孔和细化晶粒，引入了一种新的强化方法——机器人旋转摩擦加工( RFP )。通过对不同平均峰值载荷下的沉积颗粒进行处理，评估RFP的可行性。在RFP过程中，旋转工具对沉积的颗粒进行挤压，使其产生足够的塑性变形。经3.5 kN - RFP处理后，WAAM致密化率提高至99.5 %以上，孔隙因压缩变形和亚晶粘结而被完全封闭和消除。处理后的沉积层表现出有效的晶粒细化和高密度的位错缠结，其水平和垂直抗拉强度分别提高了22.8 %和34.2 %。此外，阐明了RFP对熔敷金属的强化机理
图1 实验示意图：（a）WAAM+RFP平台；用于（b）单程和（c）多程处理的RFP路径；(d)RFP负荷曲线；(e)孔隙分析样品的形状；(f)拉伸试样的形状
图2 孔隙度分布的OM图像：（a）非RFP，（b）1.8 kN-RFP，和（c）3.5 kN-RFP
图3 不同条件下毛孔的平均直径和圆度水平
图4 孔隙周围晶粒分布的EBSD分析：（a）无RFP和（b）3.5 kN-RFP
图5 微观结构SEM图像：（a）非RFP，（b）1.8 kN-RFP，（c）3.5 kN-RFP，以及（d）区域a和b的成分映射
图6 晶粒结构的IPFs和PFs：( a ) 非RFP，( b ) 1.8 kN-RFP，和( c ) 3.5 kN - RFP。取向差频率分布：( a )非RFP，( b ) 1.8 kN - RFP和( c ) 3.5 kN - RFP
图7 沉积物的TEM图像：( a )非RFP；( b , c) 3.5 Kn - Rfp；( d )晶粒内的位错网络
图8 ( a )不同状态下壁面截面的硬度梯度。( b )有无3.5 k N - RFP时熔敷金属的力学性能。( c、d)拉伸断口形貌SEM图像：( c )无RFP和( d ) 3.5 kN - RFP
（1）提出了一种基于机器人的层间RFP强化铝合金的新方法，该方法利用机器人驱动的旋转工具诱导沉积金属的压缩塑性变形、孔隙缺陷闭合和晶粒细化。（2）孔隙的消除归因于压缩闭合和通过动态回复/重结晶的亚晶组合。在3.5 kN的RFP载荷下，沉积金属的致密化率达到99.72%。（3）RFP使沉积金属中的粗β-Al3Mg2、Al6（Mn，Fe）第二相和α Al晶粒显著碎裂。主要的组织强化机制为晶粒细化和高密度位错强化。（4）ByRFP导致的气孔消除、晶粒细化和高密度位错显著提高了WAAM铝合金的力学性能。在3.5 kN下进行RFP后，水平和垂直UTS值分别达到372.7和368.1 MPa，分别对应于22.8%和34.2%的改善，并且消除了机械各向异性。这项工作证明了基于机器人的RFP在WAAM铝合金晶粒细化和气孔消除方面的有效性。处理过的沉积物的UTS提高到360 MPa以上，超过了大多数工业应用中5系铝合金的机械性能要求。这为强化WAAM部件提供了一种先进的方法。开发的基于机器人的RFP技术有望构建与机器人群集成的低成本、高可扩展性混合生产线，为大型铝合金部件实现灵活、高质量的WAAM。https://doi.org/10.1080/13621718.2023.2247271
