一种用于铝合金搅拌摩擦固相增材制造的工艺参数优化方法、铝合金构件及其制备方法

本发明属于金属材料增材制造，尤其涉及一种用于铝合金搅拌摩擦固相增材制造的工艺参数优化方法、铝合金构件及其制备方法。

背景技术：

1、随着航空航天、轨道交通等领域关键结构件向一体化、轻量化和复杂化方向发展，对材料的综合力学性能、制备成本及生产效率提出了更为严苛的要求。铝合金因其低密度、高比强度和优良的耐蚀性，已成为应用最广泛的轻质金属结构材料之一。传统铝合金构件的制备主要依赖铸造和锻造工艺。铸造过程易产生气孔、夹杂和缩松等凝固缺陷，导致构件力学性能波动；锻造虽能提升材料致密性，但通常需要多道次锻压及大量后续切削加工，存在材料利用率低、难以成形大型复杂构件等局限。

2、增材制造技术为铝合金构件的高性能、复杂化成形提供了新途径。其中，基于搅拌摩擦焊原理发展而来的搅拌摩擦固相增材制造技术，具有材料利用率高、增材效率高、综合性能优良等显著优势，尤其适用于铝合金、镁合金等轻质合金的制备。

3、然而，该技术在实际应用中面临一个核心难题：固相增材后的铝合金构件会出现显著的软化现象，导致其组织与性能难以满足高端装备的使用需求。其主要原因在于搅拌摩擦循环热输入与强变形条件下，动态再结晶导致晶粒粗化明显，此外析出相发生持续长大与粗化。

4、针对上述软化问题，工业界普遍采用“固相增材-固溶-时效”的后处理方案，旨在使粗化的第二相重新回溶再析出。然而，这种方案存在固有缺陷：后续的高温固溶处理会破坏增材过程中因大塑性变形而引入的细等轴晶和高密度位错亚结构，无法充分发挥搅拌摩擦固相增材的技术优势。此外，目前增材制造与热处理工艺的优化仍高度依赖传统试错法，即通过批量检验不同工艺参数组合下的样品组织与性能来筛选最优参数。这种方式不仅工艺筛选成本高昂，而且优化效率低下，严重制约了该技术的工业化应用进程。

5、因此，开发一种能够实现析出相与晶粒尺寸精准调控，有效抑制软化，并大幅提升工艺优化效率和构件综合性能的一体化制备技术，成为本领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种用于铝合金搅拌摩擦固相增材制造的工艺参数优化方法、铝合金构件及其制备方法，能够实现对析出相尺寸与晶粒尺寸的精准预测与选择性调控，进而实现高强韧铝合金构件的高质量、高效、低成本制备。

2、为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下所示：

3、第一方面，本技术提供一种用于铝合金搅拌摩擦固相增材制造的工艺参数优化方法，包括以下步骤：

4、获取不同工艺参数下，搅拌摩擦固相增材过程中基板材料所经历的热循环曲线；

5、基于所述热循环曲线进行析出动力学模拟，预测各工艺参数下的强化析出相平均尺寸，并以“强化析出相平均尺寸≤100nm”为判据，筛选出第一工艺窗口；

6、基于所述热循环曲线，建立以zener-hollomon参数表征的动态再结晶晶粒尺寸预测模型；

7、利用所述动态再结晶晶粒尺寸预测模型，预测所述第一工艺窗口内各工艺参数组合对应的平均晶粒尺寸，并以“平均晶粒尺寸≤10μm”为判据，对所述第一工艺窗口进行二次筛选，获得优化后的第二工艺窗口。

8、可选地，所述获取不同工艺参数下，搅拌摩擦固相增材过程中基板材料所经历的热循环曲线，包括：在铝合金基板上预先加工盲孔阵列并埋入热电偶，开展多组典型工艺参数下的搅拌摩擦固相增材实验，实时监测并记录基板的热循环曲线及峰值温度。

9、可选地，基于所述热循环曲线进行析出动力学模拟，预测各工艺参数下的强化析出相平均尺寸，并以“强化析出相平均尺寸≤100nm”为判据，筛选出第一工艺窗口，包括：

10、将合金成分和热循环曲线输入析出动力学计算软件，基于经典形核理论和kampmann-wagner numerical模型，模拟基体中不同析出相的颗粒直径随时间的动力学演变，获得各析出相类型的粒度分布曲线；

11、通过所述粒度分布曲线获取模拟的最粗大的析出相类型及模拟最大析出尺寸；通过采用透射电子显微镜获取典型试样中的最大析出尺寸作为实测最大析出尺寸；以实测最大析出尺寸为基准对模型参数进行校准，使模拟结果与实测结果的偏差控制在预设范围内；

12、利用校准后的模型，提取强化析出相在热循环结束时刻的平均颗粒直径作为强化析出相平均尺寸，以“强化析出相平均尺寸≤100nm”为标准，对不同工艺参数组合进行筛选，获得所述第一工艺窗口。

13、可选地，所述基于所述热循环曲线，建立以zener-hollomon参数表征的动态再结晶晶粒尺寸预测模型，包括：

14、从所述热循环曲线中提取特征温度区间和对应的应变速率范围，据此设定gleeble热模拟试验的等温压缩温度t和应变速率；

15、开展等温恒应变速率热压缩试验，提取各条件下的峰值应力σp，将其作为流变应力代入双曲正弦函数型arrhenius本构方程：

16、；

17、其中，为应变速率；为应力水平参数；

n为应力指数；为流变应力，此处以峰值应力作为流变应力代入；

q为变形激活能；为气体常数；为温度；

a为材料常数；

18、通过线性回归分析求得α、n、q和a；

19、建立zener-hollomon参数表达式：

20、；

21、利用所述z参数表达式计算各（t，）条件下的z值，并对热压缩试样进行ebsd表征以统计平均动态再结晶晶粒尺寸；

22、基于与的数据进行线性拟合，求得材料常数c和m，建立动态再结晶晶粒尺寸预测模型：

23、；

24、其中，c、m为与材料属性相关的常数。

25、可选地，对于所述第一工艺窗口内的任一工艺参数组合，提取其对应的变形温度与应变速率，利用式2，计算z值，再将z值代入式3的动态再结晶晶粒尺寸预测模型，预测平均晶粒尺寸；筛选出预测平均晶粒尺寸≤10μm的工艺参数组合，构成所述第二工艺窗口。

26、第二方面，本技术提供一种基于析出相与晶粒度精准调控的铝合金搅拌摩擦固相增材与热处理一体化制备方法，包括如下步骤：

27、根据目标合金成分进行配料、熔炼，制得铸态材料，加工得到棒状铸件；

28、对所述棒状铸件进行预固溶处理；

29、采用如第一方面所述的方法优化铝合金搅拌摩擦固相增材制造工艺参数，并利用优化后的参数对经预固溶处理的棒状铸件进行搅拌摩擦固相增材制造，得到增材件；

30、对所得增材件依次进行深冷处理与多级时效处理。

31、可选地，对所述棒状铸件进行预固溶处理，包括：取所述棒状铸件切片进行差示扫描量热分析，以dsc曲线上吸热峰的起始温度作为固溶温度的下限，以剧烈吸热峰的温度作为固溶温度的上限；以颗粒尺寸大于阈值的析出相回熔且晶粒尺寸变化不超过设定范围的最短处理时间，作为最佳固溶时间窗口。

32、可选地，所述深冷处理的条件为：将增材件置于-180℃至-220℃的液氮环境中，保温30-90 min。

33、可选地，所述多级时效处理包括：根据dsc中析出反应对应的温度区间，初步划定时效的大致温度窗口；结合析出动力学模拟计算得到不同时效温度和不同时效时间组合下的析出相的最大尺寸，以目标析出相尺寸阈值为基准，对时效温度和时间进行筛选，得到多级时效处理条件。

34、第三方面，本技术提供一种铝合金构件，其特征在于，根据第二方面所述的方法制得。

35、与现有技术相比，本发明提供至少具有如下有益效果：

36、本发明将预固溶处理工序前置至原材料阶段，解决了大型、复杂构件固溶效果差、效率低的难题。其次，区别于依赖经验与大量实验的试错法，本发明通过构建工艺参数-热循环-析出相/晶粒尺寸之间的定量预测模型，精准识别并抑制导致软化的两大主要因素（析出相粗化与晶粒长大），实现了工艺参数的快速、选择性优化设计，显著提升了工艺优化效率并降低了成本。最后，引入深冷与多级时效协同强化后处理技术，促进强化相的细小弥散析出，实现构件强韧性的同步提升。

37、本发明实现了铝合金构件在生产效率、制造成本和综合性能上的协同优化，满足航空航天、轨道交通等领域铝合金关键构件对强度、塑性、致密性的严苛要求。

38、本发明中将析出相和再结晶的精准控制一体化地融入整个制备流程的思想，不仅限于铝合金，还可推广至镁合金、锌合金、铜合金等有色金属及奥氏体不锈钢等黑色金属，解决其制备过程中的析出相或晶粒尺寸调控需求，具有显著的经济效益和广阔的应用前景。