引用論文

申志康, 李冬曉, 孫中剛, 馬良超, 劉小超, 田艷紅, 郭偉, 侯文濤, 樸鐘宇, 楊新岐, 李文亞. 攪拌摩擦沉積增材制造機理及展望：機遇與挑戰[J]. 機械工程學報, 2025, 61(2): 56-85.

SHEN Zhikang, LI Dongxiao, SUN Zhonggang, MA Liangchao, LIU Xiaochao, TIAN Yanhong, GUO Wei, HOU Wentao, PIAO Zhongyu, YANG Xinqi, LI Wenya. Fundamentals and Prospects of Additive Friction Stir Deposition：Opportunities and Challenges[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(2): 56-85.

航空航天、兵器等重大裝備大型關鍵結構整體化設計和一體化制造已成為輕量化和服役性能的重要保障。增材制造作為實現創新結構的變革技術被廣泛關注和應用，但高強鋁合金、鎂合金等輕質高強金屬增材制造仍面臨諸多挑戰。攪拌摩擦以強塑性非熔化方式為此類合金高質量增材制造提供了新的思路和方法，并基于此形成了固相增材制造技術與裝備。攪拌摩擦增材制造技術的突出優勢迅速引發了全球范圍的廣泛關注和研究，但當前該技術的基礎理論和沉積材料組織性能等尚待進一步厘清。西南大學申志康教授團隊系統梳理了攪拌摩擦增材制造領域的最新研究進展，全面評述了國內外在攪拌摩擦增材制造產熱機制、材料流動行為、打印工具設計、工藝參數和組織性能等方面的研究成果及裝備開發和工程應用現狀。最后，展望了攪拌摩擦增材制造技術的未來機遇和發展趨勢。

本文作為《機械工程學報》2025年第2期的封面文章發表，期望相關工作為攪拌摩擦增材制造技術的發展提供參考。

PART.01

行業現狀

美國Aeroprobe 公司于2018 年開發了AFSD送棒設備，并將其命名為“MELD”，這一突出進展使AFSD迅速成為國內外研究的熱點。這項技術在美國多個部門獲得了最高技術創新榮譽的同時，也獲得了海陸空及包括波音、洛克希德·馬丁、西門子、三菱重工、羅爾斯·羅伊斯航空發動機等國際頂尖制造企業的大力支持。我國于2017年就制備了攪拌摩擦增材制造堆焊樣件，并于2018年將美國發明的FSAM發展到無固定約束的“側增”和“頂增”高級階段，制備了超過1米的工程樣件。自此，國內眾多科研院所爭相對攪拌摩擦增材制造的基礎理論、裝備開發及工程應用開展了大量研究工作，并取得了一系列重要成果。

PART.02

難點或瓶頸

產熱機制及材料流動行為

打印工具設計及工藝參數

界面行為及組織演變

均質性及組織性能調控

PART.03

趨勢與展望

攪拌摩擦增材制造技術在多種有色金屬的增材制造上具有突出的冶金優勢，在極短時間內便獲得了國內外廣泛關注，具有廣闊的應用前景。國內外科研工作者針對多種金屬開展了大量研究工作，探討了工藝過程中的產熱機制和材料流動行為，提出了多種改變打印工具設計和工藝參數的方案，分析了組織演變和力學性能的內在關聯。在以上研究的基礎上，最近一些研究者提出了側面送料、送絲/粉及水冷和熱處理的研究方案，取得了一系列研究成果。但是，國內外在AFSD工藝研究上尚處于初步階段，作為一種新型固相增材制造技術，在面臨新的發展機遇和應用前景的同時，仍存在一系列亟待解決的難題，未來應從裝備開發方面、機理研究方面、過程控制等方面展開深入研究。

PART.04

圖1 攪拌摩擦沉積增材制造原理

圖2 攪拌摩擦沉積增材制造(AFSD)

相比其他增材制造方法

在增材效率和可打印尺寸上的優勢

PART.05

(1) 李會朝，王彩妹，張華，等. 摩擦增材制造技術研究進展[J]. 金屬學報, 2023, 59(01)：106-124.

(2) Yu H Z, Mishra R S. Additive friction stir deposition: a deformation processing route to metal additive manufacturing[J]. Materials Research Letters, 2021, 9(2): 71-83.

(3) Shao J, Samaei A, Xue T, et al. Additive friction stir deposition of metallic materials: Process, structure and properties[J]. Materials & Design, 2023: 112356.

(4) Phillips B J, Avery D Z, Liu T, et al. Microstructure-deformation relationship of additive friction stir-deposition Al–Mg–Si[J]. Materialia, 2019, 7: 100387

(5) Joshi S S, Patil S M, Mazumder S, et al. Additive friction stir deposition of AZ31B magnesium alloy[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2022, 10(9): 2404-2420.

關于團隊

PART.01

主創簡介

申志康

現為西南大學教授/博士生導師，先進制造技術及輕量化方向學術帶頭人，重慶市焊接學會副理事長。主要從事先進材料連接、增材制造、表面改性及輕量化等方面的基礎理論研究和裝備開發工作。主持或參與包括國家自然科學基金在內的國內外科研項目20余項，在J. Mater. Sci. Technol、Int J Fatigue等國際期刊上發表SCI論文80余篇，他引3000余次，H因子30；申請/授權國家發明專利10余項；擔任國家自然科學基金函評專家、《焊接雜志社》青年編委、中國電工協會高級會員、中國有色金屬學會會員和多個國際期刊審稿人等。

PART.02

團隊研究方向簡介

01

先進材料連接機理及裝備

高強鋁合金、異質合金等界面冶金結合機制、組織演變、力學性能、結構可靠性評價及其裝備開發。

02

增材制造組織性能研究

鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕質合金固相增材制造機理、組織演變及力學性能。

03

表面工程及構件修復

涂層制備、構件修復及其性能評價。

04

復合材料制備及其性能

先進復合材料制備及其服役性能研究。

PART.03

團隊近2年代表論著

(1) Jiang, T., Zhang, M., Dai, G., Shen, Z., Guo, Y., Sun, Z., & Li, W. (2024). Microstructure evolution and mechanical properties of ultrafine-grained AlLi alloy fabricated via friction stir additive manufacturing. Materials Characterization, 113760.

(2) Wu, J., Huang, G. Q., Cao, F. J., Sun, T., Jiang, J., Hu, J. P., ... & Shen, Y. F. (2023). Insights into the microstructural evolution and wear behavior of underwater friction stir processed CoCrFeNiMn high-entropy alloy. Materials Characterization, 205, 113362.

(3) Chen, H., Shen, Z., Song, B., & She, J. (2023). Twinning Deformation and Yield Asymmetry Improvement of Magnesium Alloys by Free-End Torsion. Journal of Materials Engineering and Performance, 1-13.

(4) Shen, Z., Zhang, M., Li, D., Sun, Z., Hou, W., Tian, Y., & Li, W. Y. (2023). Microstructure Evolution and Mechanical Properties of Single-Layer Multipass Overlapped Al-Mg-Mn-Sc-Zr Alloy Fabricated via Additive Friction Stir Deposition. JOM, 75(10), 4242-4253.

(5) Zou, Y., Li, W., Shen, Z., Su, Y., & Yang, X. (2023). Refill friction stir spot welding of aluminum alloys: State-of-the-art and Perspectives. Welding in the World, 67(8), 1853-1885.

(6) Chen, H., Shen, Z., Song, B., & She, J. (2023). Influence of Pre-Tension on Free-End Torsion Behavior and Mechanical Properties of an Extruded Magnesium Alloy. Materials, 16(15), 5343.

(7) Liu, X. C., Li, W. T., Zhou, Y. Q., Li, Y. Z., Pei, X. J., Shen, Z. K., & Wang, Q. H. (2023). Multiple effects of forced cooling on joint quality in coolant-assisted friction stir welding. Journal of Materials Research and Technology, 25, 4264-4276.

(8) Yao, J., Dai, G., Guo, Y., Li, W., Sun, Z., Shen, Z., ... & Zhou, L. (2023). Microstructure and properties of solid-state additive manufactured Mg–10Li–3Al–3Zn magnesium alloy. Journal of Materials Research and Technology, 25, 4820-4832.

(9) Wu, J., Cao, F. J., Sun, T., Huang, G. Q., Li, M. S., Hou, W. T., ... & Shen, Y. F. (2023). Developing ultrafine-grained structure with balanced α/γ fraction via underwater friction stir processing enables enhanced wear and corrosion resistance of duplex stainless steel. Surface and Coatings Technology, 457, 129295.

(10) Shen, Z., Zhang, M., Li, D., Liu, X., Chen, S., Hou, W., ... & Tian, Y. (2023). Microstructural characterization and mechanical properties of AlMg alloy fabricated by additive friction stir deposition. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 125(5), 2733-2741.

作 者：申志康

責任編輯：趙子祎

責任校對：惲海艷

審 核：張 強

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