航天工程裝備(蘇州)攪拌摩擦固相增材技術(shù)：突破金屬增材制造的新路徑

在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的浪潮中，增材制造技術(shù)正以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)顛覆傳統(tǒng)的制造模式，逐步成為航空航天、能源、汽車等領(lǐng)域的重要技術(shù)手段。然而，傳統(tǒng)金屬增材制造技術(shù)，如激光粉末床熔融（LPBF）和電子束熔融（EBM），仍面臨一些技術(shù)瓶頸，如高溫熔融導(dǎo)致的殘余應(yīng)力、微裂紋及材料組織粗大化等問題。

作為中國航天科技集團(tuán)有限公司第八研究院的控股子公司，航天工程裝備（蘇州）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“AEE”）憑借其在攪拌摩擦焊領(lǐng)域的深厚積累和技術(shù)創(chuàng)新，將攪拌摩擦焊技術(shù)創(chuàng)新性地應(yīng)用于增材制造領(lǐng)域，開發(fā)出攪拌摩擦固相增材技術(shù)（AFSD），為金屬增材制造開辟了一條全新的道路。

關(guān)于AEE

AEE隸屬于中國航天科技集團(tuán)有限公司第八研究院，是上海航天設(shè)備制造總廠有限公司的控股子公司，是國家高新技術(shù)企業(yè)、國家級(jí)專精特新“小巨人”企業(yè)。公司自2011年成立以來，始終專注于攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用推廣和前沿探索。依托“江蘇省攪拌摩擦焊工程技術(shù)研究中心”和“江蘇省企業(yè)技術(shù)中心”的強(qiáng)大技術(shù)實(shí)力，AEE在攪拌摩擦焊裝備領(lǐng)域承擔(dān)了多項(xiàng)國家重大專項(xiàng)，創(chuàng)造了多項(xiàng)國內(nèi)第一，成為國防科工局唯一支持的攪拌摩擦焊裝備產(chǎn)業(yè)化公司。

AEE的產(chǎn)品和技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天航空、軌道交通、船舶、電力電子、新能源汽車等國家戰(zhàn)略新興領(lǐng)域，并遠(yuǎn)銷德國、法國、瑞典、美國等國際市場(chǎng)，充分展現(xiàn)了其在全球范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力和影響力。公司秉承“客戶為本、技術(shù)引領(lǐng)、誠實(shí)守信、精益求精”的經(jīng)營理念，不斷創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，服務(wù)客戶，致力于成為全球最具影響力的智能攪拌摩擦焊解決方案提供商。

AEE將亮相在3月17日-19日國家會(huì)展中心（上海）7.1&8.1館舉行的TCT Asia 2025亞洲3D打印、增材制造展覽會(huì)，并展出多功能固相復(fù)合増材裝備（展位號(hào):7.1館 7K30）。

技術(shù)原理

攪拌摩擦固相增材技術(shù)（AFSD）是一種基于固態(tài)連接的增材制造工藝，它通過旋轉(zhuǎn)工具對(duì)金屬材料進(jìn)行局部塑性變形，并在壓力作用下進(jìn)行層層堆積，實(shí)現(xiàn)高致密度的金屬結(jié)構(gòu)制造。與傳統(tǒng)熔融型增材制造不同，AFSD工藝避免了材料的熔化過程，減少了冶金缺陷，提高了材料的力學(xué)性能。

AFSD技術(shù)的核心在于攪拌摩擦焊（FSW）原理，即通過高速旋轉(zhuǎn)的工具在金屬表面施加局部摩擦熱，使金屬處于高塑性狀態(tài)，然后通過機(jī)械攪拌作用實(shí)現(xiàn)材料的均勻連接。這一過程不僅能夠有效避免熔融金屬凝固時(shí)產(chǎn)生的微裂紋，還能保持材料的細(xì)晶組織，提高零件的耐疲勞性能和延展性。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

相比傳統(tǒng)金屬增材制造技術(shù)，AFSD 具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

1. 無熔化制造，降低殘余應(yīng)力。AFSD 采用固態(tài)堆積方式，使得制造過程始終處于低溫塑性變形狀態(tài)，從根本上避免了傳統(tǒng)熔融工藝中因溫度梯度大而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力問題。這一特性極大地提高了制造零件的尺寸穩(wěn)定性和服役壽命。

2. 高致密度、無冶金缺陷。由于 AFSD 避免了熔融與凝固過程，材料內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)氣孔、偏析、熱裂紋等常見冶金缺陷，使得最終零件的致密度接近 100%，機(jī)械性能優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造和焊接零件。

3. 細(xì)晶組織，提高力學(xué)性能。在摩擦攪拌過程中，材料會(huì)經(jīng)歷動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成超細(xì)晶組織。研究表明，AFSD 制造的金屬零件相比傳統(tǒng)熔融增材制造工藝，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可提高 10%-30%，且斷裂延展率更高，特別適用于高性能結(jié)構(gòu)件的制造。

4. 適用于難加工合金材料。AFSD 技術(shù)能夠加工多種高性能金屬材料，包括鋁合金、鈦合金、不銹鋼、高溫合金等，特別適用于傳統(tǒng)工藝難以成形的合金，如航空航天領(lǐng)域常用的 2219 鋁合金、TC4 鈦合金等。這使得 AFSD 在高端制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

5. 綠色環(huán)保、能耗低。AFSD 由于采用固態(tài)加工方式，減少了高能激光或電子束的使用，能耗比熔融型增材制造降低 30%-50%。此外，該技術(shù)基本無煙塵和有害氣體排放，更符合綠色制造的發(fā)展趨勢(shì)。

固相增材制造VS主流熔化增材制造

從上述對(duì)比中可以看出，攪拌摩擦固相增材技術(shù)在增材效率、可增材材料、增材原料及成本、缺陷控制和構(gòu)件性能等方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)，這使得它在高端裝備制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

航天工程裝備的攪拌摩擦固相增材設(shè)備

航天工程裝備針對(duì)不同的應(yīng)用需求，開發(fā)了多種型號(hào)的攪拌摩擦固相增材設(shè)備，包括：

1.     攪拌摩擦固相增材工作站

該工作站是針對(duì)高校及科研院所開發(fā)的全新固相增材設(shè)備，具備全防護(hù)鈑金護(hù)罩，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，可實(shí)現(xiàn)增材過程全參數(shù)監(jiān)控，能夠滿足廣大科研工作者的設(shè)備需求。

設(shè)備特點(diǎn)：

• 配備高性能電主軸，可進(jìn)行多類型金屬的固相增材制造。
• 增材過程溫度、扭矩及壓力的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
• 數(shù)據(jù)采集及可視化。
• 模塊化設(shè)計(jì)。
• 宜人化人機(jī)界面。
  

2.     橋式動(dòng)龍門攪拌摩擦固相增材設(shè)備

該設(shè)備是公司適應(yīng)市場(chǎng)需求研制的新產(chǎn)品，設(shè)備采用橋式動(dòng)龍門結(jié)構(gòu)，搭載AEE自主研控制系統(tǒng)，便利功能搭配接口，為客戶提供更多選擇。

設(shè)備特點(diǎn)：

• 全新結(jié)構(gòu)： 設(shè)備采用緊湊型橋式動(dòng)龍門結(jié)構(gòu)，一體式床身，設(shè)備占地面積小。設(shè)備配備全防護(hù)鈑金護(hù)罩，運(yùn)動(dòng)部件均包覆在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，安全性高。
• 設(shè)備采用雙開門防護(hù)鈑金設(shè)計(jì)，可以滿足市面上通用產(chǎn)線桁架機(jī)械手與機(jī)械人上下料的需求，適配于各種產(chǎn)線布局。
• 設(shè)備搭載自主研制的摩擦增材專用控制系統(tǒng)及軟件，操作簡(jiǎn)潔、功能強(qiáng)大、專業(yè)人機(jī)界面，輕松交互，可擴(kuò)展恒壓力、智慧數(shù)據(jù)采集與提取等功能。
• 系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集固態(tài)制造過程中溫度、壓力、扭矩、速度、位置等數(shù)據(jù)，并方便用戶對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行追溯、優(yōu)化。
  

3.     中大型攪拌摩擦固相增材設(shè)備

設(shè)備采用龍門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配備更大尺寸工作臺(tái)面，具備更大扭矩主軸，可以實(shí)現(xiàn)鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、不銹鋼等多類型金屬的增材制造，同時(shí)可擴(kuò)展全自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)，智慧數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)中大尺寸構(gòu)件的增材制造。

設(shè)備特點(diǎn)：

• 配備差速式主軸
• 具備力控、溫度傳感、數(shù)字孿生及數(shù)模剖分等功能，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的制造
• 數(shù)據(jù)采集及可視化
• 模塊化設(shè)計(jì)
• 宜人化人機(jī)界面
  

4.     增材核心功能部件——智慧刀柄

智慧刀柄是航天工程裝備在攪拌摩擦固相增材技術(shù)領(lǐng)域的又一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新。智慧刀柄可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)加工狀態(tài)、預(yù)測(cè)加工質(zhì)量等功能，加強(qiáng)數(shù)字化監(jiān)測(cè)加工信號(hào)，實(shí)現(xiàn)增材過程狀態(tài)的智能反饋，工藝參數(shù)同步優(yōu)化，達(dá)到智能生產(chǎn)目的。

設(shè)備特點(diǎn)：

• 智慧刀柄可以實(shí)時(shí)測(cè)量增材工具端溫度、扭矩及壓力，采集頻率達(dá)256Hz。
• 經(jīng)無線信號(hào)傳輸至接收模塊，接收模塊同時(shí)輸出模擬量信號(hào)（電流或電壓）及數(shù)字信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)或工控機(jī)進(jìn)行焊接參數(shù)的控制。
  

• 在穩(wěn)定性和服役壽命方面采取了更先進(jìn)的設(shè)計(jì)。
  

智慧刀柄的推出，打破了美國、日本的壟斷，為我國攪拌摩擦焊接及增材的智能化提供了有力的手段。

應(yīng)用前景與行業(yè)影響

AFSD 技術(shù)的成功應(yīng)用，使得金屬增材制造在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的市場(chǎng)潛力，特別是在航空航天、新能源汽車、軌道交通和電力電子領(lǐng)域：

• 航空航天領(lǐng)域：主要用于船舶上寬幅長(zhǎng)型材鋁合金產(chǎn)品的在線攪拌摩擦焊接及焊后處理。設(shè)備集成輸送線和自動(dòng)化工裝，滿足型材上料與轉(zhuǎn)運(yùn)、裝夾與檢測(cè)、在線焊接及焊后定長(zhǎng)鋸切等流水線生產(chǎn)功能，大幅度降低用戶的生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。
• 新能源汽車領(lǐng)域：在進(jìn)行汽車輕量化的進(jìn)程中，鋁合金材料的應(yīng)用顯得尤為出眾，除了汽車車身、底盤上應(yīng)用外汽車的電機(jī)、電控、以及動(dòng)力電池部件上鋁合金的應(yīng)用也較為廣泛，相關(guān)的鋁合金加工設(shè)備需求也隨之產(chǎn)生。對(duì)于汽車鋁合金零件的加工，除了常規(guī)的加工設(shè)備外，針對(duì)不同的工藝需求所需要的設(shè)備也不同，比如針對(duì)鋁合金焊接的攪拌摩擦焊設(shè)備。
• 軌道交通領(lǐng)域：在軌道交通領(lǐng)域，車輛輕量化已經(jīng)是發(fā)展的趨勢(shì)，也逐漸成為發(fā)展的主流方向。軌道車體采用攪拌摩擦焊應(yīng)用的主要包括:高速列車鋁合金車體、LNG運(yùn)輸罐、貨運(yùn)車體、城際列車、磁懸浮列車、車載集裝箱箱體等。
• 電力電子領(lǐng)域：隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，固態(tài)發(fā)射機(jī)中功放組件的高組裝密度和高發(fā)熱量，使功放組件的熱流密度越來越大，傳統(tǒng)強(qiáng)迫風(fēng)冷不能滿足散熱要求。液冷冷板有散熱效率高、溫度梯度小、熱分布均勻和結(jié)構(gòu)緊湊等顯著優(yōu)點(diǎn)，是目前固態(tài)功放組件冷卻的一種主要方式。
  

結(jié)語

航天工程裝備(蘇州)有限公司的攪拌摩擦固相增材技術(shù)，以其獨(dú)特的固態(tài)制造方式，成功解決了傳統(tǒng)金屬增材制造的諸多技術(shù)瓶頸，為高性能金屬零件制造提供了全新的解決方案。未來，隨著該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用推廣，AFSD 有望成為金屬增材制造領(lǐng)域的重要突破口，為航空航天、高端裝備制造等行業(yè)帶來革命性的變革。