学术研究报告：增材摩擦搅拌沉积中功率生成的分析模型

一、研究团队与发表信息
本研究由Cole Franz（通讯作者，田纳西大学Tickle工程学院）、Rob Patterson（田纳西大学机床研究中心）、Bruno Turcksin（橡树岭国家实验室计算科学与工程部）、Tony Schmitz（MSC Industrial Supply公司）和Katharine Page（田纳西大学）合作完成，发表于*Journal of Manufacturing Processes*。

二、学术背景与研究目标
增材摩擦搅拌沉积（Additive Friction-Stir Deposition, AFSD）是一种固态增材制造技术，能以约10 kg/h的速率制备大型金属结构。其核心挑战在于沉积温度的精确控制，传统方法依赖工具嵌入式热电偶或试错法，缺乏高效预测模型。本研究旨在开发一种稳态功率生成与热流的分析模型，通过整合旋转-挤压运动学、应变率轨迹追踪、摩擦-变形功率分配及工具热损耗等新机制，将工艺信号（扭矩、主轴转速等）转化为热源参数，为后续热历史模拟提供低成本计算工具。

三、研究流程与方法
1. 实验设计
- 研究对象：使用AA6061-T6挤压棒材（12.7×12.7 mm²）在AA6061-T6基板（152.4×152.4×9.5 mm³）上沉积11层单向结构。
- 工艺参数：主轴转速130–350 rpm，沉积速度2.29 mm/s，进给速率1.74 mm/s，温度设定点400–460°C。
- 温度监测：工具面嵌入K型热电偶调控转速，基板三个位置（y=0/50.⁸⁄₁₀₁.6 mm）记录温度。

1. 模型构建

   • 运动学扩展：通过体积守恒引入径向挤压速度分量（公式5-7），修正传统旋转模型的局限性。
     
   • 应变率计算：基于粒子追踪（图5）和路径积分（公式16-18）获取轨迹平均应变率，结合深度线性衰减假设（公式19）。
     
   • 功率分配：
     
     • 变形功率（公式20）：通过Sellars-Tegart本构模型（公式22）计算流动应力，结合泰勒-昆尼系数（0.9）量化塑性变形生热。
       
     • 摩擦功率（公式24）：利用滑移因子δ（公式8）区分粘滑行为，避免功率重复计算。
       
     • 工具热损耗（公式29-30）：通过最小二乘法拟合实验数据，确定温度依赖性热传导系数（a=4.04×10⁶ W/m²，b=1.32×10⁴ W/m²K）。
       

2. 数值模拟

   • 热场仿真：采用Adamantine软件（Turcksin等开发）进行三维瞬态模拟，Goldak双椭球热源模型（功率1.2 kW）匹配实验路径。
     
   • 边界条件：基板底部传导（hc=1×10⁵ W/m²K），其他表面对流（h=100 W/m²K）与辐射（ε=0.15）。
     

四、主要结果
1. 模型验证
- 预测主轴转速与实测值误差%（图7），稳态总功率4.5–5.5 kW，占主轴功率的90–95%。
- 工具热损耗占比80%，证实其为关键散热途径。

1. 热模拟对比

   • 基板温度曲线与实验数据定性吻合（图8），但末端峰值温度偏差提示边界条件需进一步优化。
     

2. 敏感性分析

   • 应变率（ε̇eff）和搅拌区深度（dstir）对主轴转速预测影响最大（图9），本构参数（n、A）影响较小。
     

五、结论与价值
1. 科学价值
- 提出首个整合挤压运动学与工具热损耗的AFSD分析模型，解决了传统模型忽略径向材料流动的问题。
- 通过粒子轨迹平均应变率和滑移-粘滞分区，提升了功率预测精度。

1. 应用价值
   
   • 为工业界提供实时热历史预测工具，支持工艺参数优化，减少试错成本。
     
   • 模型开源化后可集成至有限元软件（如Adamantine），推动AFSD工艺标准化。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：首次将粒子追踪应变率与滑移-粘滞行为耦合，量化工具热损耗的线性温度依赖性。
2. 技术突破：开发低计算成本的Goldak热源参数化方法，适用于多层沉积模拟。
3. 跨学科融合：结合计算流体力学（CFD）与固体力学本构模型，为固态增材制造建模提供新范式。

七、其他发现
- 搅拌区深度（dstir≈2.5×层高）的假设需进一步实验验证，可能受工艺参数（如法向载荷）影响。
- 热接触导率随温度升高的现象（公式30）为工具设计提供了优化方向。