摩擦搅拌粉末增材制造氧化铈稳定氧化锆和聚合物衍生陶瓷增强AA7075复合材料的力学与微观结构行为

本研究针对熔融基增材制造(AM)铝合金复合材料存在的氧化、热裂纹等问题，创新性地采用固态摩擦搅拌粉末增材制造(FSPAM)技术，成功制备了氧化铈稳定氧化锆(CSZ)和聚合物衍生陶瓷(PDC)增强的AA7075复合材料。研究证实该工艺可获得无缺陷沉积层，晶粒尺寸细化至6.4±2.9 μm，屈服强度达223±7 MPa，硬度125±9 HV，为航空航天领域高强耐热材料提供了新解决方案。

　　

传统铝合金增材制造技术正面临严峻挑战。当研究人员尝试用激光粉末床融合(LPBF)等熔融基方法加工AA7075这类高强度航空铝合金时，氧化、热裂纹和脆性金属间化合物等问题总是如影随形。这些问题源于材料在液态到固态转变过程中的复杂物理化学变化，严重制约了复合材料在航空航天等高端领域的应用。

为突破这一技术瓶颈，Anusandhan国家研究基金会支持的研究团队另辟蹊径，开发了一种名为摩擦搅拌粉末增材制造(FSPAM)的固态成型技术。这项创新工艺通过机械搅拌实现粉末冶金结合，完全避开了熔融过程带来的缺陷。相关成果已发表在材料科学领域权威期刊《Materials Science and Engineering: A》上。

研究团队采用AA7075-T651基板和气雾化AA7075粉末作为基体材料，创新性地引入氧化铈稳定氧化锆(CSZ)和硅基聚合物衍生陶瓷(PDC)作为增强相。关键技术包括：粉末床制备技术模拟激光粉末床融合工艺，通过优化工具转速(1000 rpm)和进给速度(60 mm/min)实现可控沉积；采用SEM-EDS和XRD进行微观结构与相组成分析；通过电子背散射衍射(EBSD)解析晶界特征；并系统测试了拉伸性能和显微硬度。

【基质和增强材料】
研究选用粒径18.5±1.5 μm的AA7075粉末与纳米级CSZ、PDC增强相混合。CSZ通过氧化铈(CeO₂)稳定氧化锆(ZrO₂)的独特相变增韧机制提升复合材料韧性，PDC则凭借其高温稳定性增强材料性能。

【微观结构】
EBSD分析显示沉积层形成6.4±2.9 μm的细小等轴晶，高角度晶界占比达58%，证实动态再结晶主导的晶粒细化过程。SEM观察到η(MgZn₂)和S(Al₂CuMg)相纳米沉淀(约45 nm)，这些沉淀相通过抑制晶粒粗化显著提升材料强度。

【力学性能】
复合材料屈服强度(223±7 MPa)和抗拉强度(393±3 MPa)与AA7075-T4合金相当，但延伸率受限(5.5±0.4%)，研究认为这与增强相局部团聚有关。显微硬度(125±9 HV)的显著提升证实了Zener钉扎效应的强化作用。

【讨论与结论】
这项研究首次证实FSPAM技术可制备高性能铝基复合材料，其三大突破尤为突出：一是通过固态加工避免熔融缺陷，二是创新采用粉末床解决了传统摩擦搅拌工艺的进料难题，三是双相增强设计实现了协同强化。尽管在几何复杂度方面仍存在局限，但为航空航天耐热部件制造提供了新思路。研究团队特别指出，未来通过优化增强相分散性和开发专用工具头，有望进一步提升材料成形自由度和力学性能。

该成果的工程价值在于：为高强铝合金复合材料开发了绿色制造工艺，避免了传统热处理带来的能源消耗和变形问题；提出的粉末床进料方案为固态增材制造设备设计提供了新范式；双相陶瓷增强策略对其他金属基复合材料开发具有借鉴意义。随着后续研究的深入，这项技术或将成为航空发动机部件、航天器耐热结构等关键领域的重要选择。