《INTERNATIONAL JOURNAL OF MACHINE TOOLS & MANUFACTURE》：A novel incremental forming method coupled with additive manufacturing for heterogeneous Steel/Al laminated structures
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研究人员提出了一种将增量板材成形与搅拌摩擦增材制造同步耦合的新型混合制造方法，用于制备异质钢/铝层状板材构件。该方法突破了传统先连接后成形的分步工艺局限，实现了成形—连接—增材制造一体化。实验结果表明，工艺参数显著影响异质材料的显微组织与力学性能。受生物结构启
研究人员提出了一种将增量板材成形与搅拌摩擦增材制造同步耦合的新型混合制造方法，用于制备异质钢/铝层状板材构件。该方法突破了传统先连接后成形的分步工艺局限，实现了成形—连接—增材制造一体化。实验结果表明，工艺参数显著影响异质材料的显微组织与力学性能。受生物结构启发，研究人员在材料基体中引入双梯度晶粒结构和双峰晶粒结构，在钢/铝界面构建了互锁波纹织构。钢基体由表及里呈现从晶粒细化到动态再结晶的梯度演变，铝基体的双峰晶粒中粗大晶粒经历剧烈塑性变形并伴有显著析出行为，超细晶粒则表现出再结晶特征及大量堆垛层错。波纹界面的平均取向差显著高于基体，界面化合物层内富含位错及孪晶结构。随着预应变和界面波纹幅度的增加，层状板材的屈服强度和剪切强度分别提升至437 MPa和112 MPa（预应变0.30，波纹幅度10 μm），优于传统工艺制备的同类材料。机制研究表明，异质结构诱导的应力分配对力学性能和界面结合具有协同增强作用，背应力对屈服应力的贡献率达到76%。案例验证显示，该工艺可大幅缩短制造周期，实现多尺度异质结构的原位调控，同时提升强度与结合性能。
该研究发表于《INTERNATIONAL JOURNAL OF MACHINE TOOLS》，针对航空航天及交通运输领域对结构轻量化和功能集成的迫切需求，解决传统均质板材难以满足高性能服役要求的问题。现有层状板材制造多采用先连接（轧制复合、爆炸焊等）后成形的分步工艺，生产周期长、模具成本高、几何柔性不足，且异种金属热膨胀系数差异易引发界面开裂，铁铝间易形成脆性金属间化合物（IMC）层，导致力学性能下降。研究人员开发了增材制造—增量板材成形（AM-ISF）一体化技术，通过同步实现粉末致密化、界面结合与板材成形，并在材料中引入仿生多尺度异质结构，从而显著提升层状构件的强度与结合性能。
关键技术方法包括：① 建立铝合金粉末致密化预测模型，优化工艺参数以获得高密度沉积层；② 采用电子通道衬度成像（ECCI）、电子背散射衍射（EBSD）及透射电子显微镜（TEM）表征多尺度异质结构；③ 设计波纹界面形貌以增强界面机械互锁；④ 通过拉伸、剪切试验评估力学性能，并结合晶体塑性理论分析异质结构强化机制。
集成制造技术方法学
研究人员设计了同步成形—连接—增材制造路径，在AM-ISF过程中，铝合金粉末预先铺展于支撑板上，钢板置于粉层之上，通过工具头局部加载与搅拌摩擦热实现粉末致密化与界面冶金结合。
粉末致密化密度控制预测模型
基于热等静压粉末致密化模型，建立了AM-ISF工艺下的相对密度预测方法，通过调节压下量、进给速度及旋转速度，获得无孔隙的高致密铝合金层。
仿生钢/铝层状结构显微组织
在最优参数下，钢基体呈现表面至内部的双梯度晶粒结构，铝基体形成粗晶与超细晶共存的双峰结构，界面处形成波纹织构并伴随位错与孪晶密集分布。
拉伸力学响应
拉伸试样断裂面在钢与铝基体中均呈现大量等轴韧窝，表明材料具备良好塑性，界面区未发生分层或断裂。
异质结构的强塑协同机制
与传统铸造、焊接、轧制及增材制造工艺相比，AM-ISF制备的材料在比强度与界面剪切强度方面均具优势。背应力强化贡献率达76%，验证了异质结构诱导的应力分配效应是性能提升的主要机制。
结论
研究人员提出的AM-ISF工艺成功解决了传统层状板材制造周期长、缺陷多的问题，实现了成形—连接—增材制造一体化，并通过仿生多尺度异质结构设计显著提升了钢/铝层状构件的强度与结合性能。该方法为高性能轻量化层状金属构件的短周期、高柔性制造提供了可行途径。
