航天工程裝備(蘇州)攪拌摩擦固相增材技術：突破金屬增材制造的新路徑

在現代工業(yè)技術的浪潮中，增材制造技術正以其獨特的優(yōu)勢顛覆傳統的制造模式，逐步成為航空航天、能源、汽車等領域的重要技術手段。然而，傳統金屬增材制造技術，如激光粉末床熔融（LPBF）和電子束熔融（EBM），仍面臨一些技術瓶頸，如高溫熔融導致的殘余應力、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（以下簡稱“AEE”）憑借其在攪拌摩擦焊領域的深厚積累和技術創(chuàng)新，將攪拌摩擦焊技術創(chuàng)新性地應用于增材制造領域，開發(fā)出攪拌摩擦固相增材技術（AFSD），為金屬增材制造開辟了一條全新的道路。

關于AEE

AEE隸屬于中國航天科技集團有限公司第八研究院，是上海航天設備制造總廠有限公司的控股子公司，是國家高新技術企業(yè)、國家級專精特新“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的應用推廣和前沿探索。依托“江蘇省攪拌摩擦焊工程技術研究中心”和“江蘇省企業(yè)技術中心”的強大技術實力，AEE在攪拌摩擦焊裝備領域承擔了多項國家重大專項，創(chuàng)造了多項國內第一，成為國防科工局唯一支持的攪拌摩擦焊裝備產業(yè)化公司。

AEE的產品和技術廣泛應用于航天航空、軌道交通、船舶、電力電子、新能源汽車等國家戰(zhàn)略新興領域，并遠銷德國、法國、瑞典、美國等國際市場，充分展現了其在全球范圍內的競爭力和影響力。公司秉承“客戶為本、技術引領、誠實守信、精益求精”的經營理念，不斷創(chuàng)新驅動，服務客戶，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，并展出多功能固相復合増材裝備（展位號:7.1館 7K30）。

技術原理

攪拌摩擦固相增材技術（AFSD）是一種基于固態(tài)連接的增材制造工藝，它通過旋轉工具對金屬材料進行局部塑性變形，并在壓力作用下進行層層堆積，實現高致密度的金屬結構制造。與傳統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，提高了材料的力學性能。

AFSD技術的核心在于攪拌摩擦焊（FSW）原理，即通過高速旋轉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)，然后通過機械攪拌作用實現材料的均勻連接。這一過程不僅能夠有效避免熔融金屬凝固時產生的微裂紋，還能保持材料的細晶組織，提高零件的耐疲勞性能和延展性。

技術優(yōu)勢

相比傳統金屬增材制造技術，AFSD 具有以下顯著優(yōu)勢：

1. 無熔化制造，降低殘余應力。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熔融工藝中因溫度梯度大而產生的殘余應力問題。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，材料內部不會出現氣孔、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%，機械性能優(yōu)于傳統鑄造和焊接零件。

3. 細晶組織，提高力學性能。在摩擦攪拌過程中，材料會經歷動態(tài)再結晶，形成超細晶組織。研究表明，AFSD 制造的金屬零件相比傳統熔融增材制造工藝，屈服強度和抗拉強度可提高 10%-30%，且斷裂延展率更高，特別適用于高性能結構件的制造。

4. 適用于難加工合金材料。AFSD 技術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，特別適用于傳統工藝難以成形的合金，如航空航天領域常用的 2219 鋁合金、TC4 鈦合金等。這使得 AFSD 在高端制造領域具有廣闊的應用前景。

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。

固相增材制造VS主流熔化增材制造

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

航天工程裝備的攪拌摩擦固相增材設備

航天工程裝備針對不同的應用需求，開發(fā)了多種型號的攪拌摩擦固相增材設備，包括：

1.     攪拌摩擦固相增材工作站

該工作站是針對高校及科研院所開發(fā)的全新固相增材設備，具備全防護鈑金護罩，設備結構緊湊，占地面積小，可實現增材過程全參數監(jiān)控，能夠滿足廣大科研工作者的設備需求。

設備特點：

• 配備高性能電主軸，可進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時監(jiān)測。
• 數據采集及可視化。
• 模塊化設計。
• 宜人化人機界面。
  

2.     橋式動龍門攪拌摩擦固相增材設備

該設備是公司適應市場需求研制的新產品，設備采用橋式動龍門結構，搭載AEE自主研控制系統，便利功能搭配接口，為客戶提供更多選擇。

設備特點：

• 全新結構： 設備采用緊湊型橋式動龍門結構，一體式床身，設備占地面積小。設備配備全防護鈑金護罩，運動部件均包覆在框架結構內，結構緊湊，安全性高。
• 設備采用雙開門防護鈑金設計，可以滿足市面上通用產線桁架機械手與機械人上下料的需求，適配于各種產線布局。
• 設備搭載自主研制的摩擦增材專用控制系統及軟件，操作簡潔、功能強大、專業(yè)人機界面，輕松交互，可擴展恒壓力、智慧數據采集與提取等功能。
• 系統能夠實時采集固態(tài)制造過程中溫度、壓力、扭矩、速度、位置等數據，并方便用戶對生產過程進行追溯、優(yōu)化。
  

3.     中大型攪拌摩擦固相增材設備

設備采用龍門式結構設計，配備更大尺寸工作臺面，具備更大扭矩主軸，可以實現鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、不銹鋼等多類型金屬的增材制造，同時可擴展全自動送料機構，智慧數據采集系統，可實現中大尺寸構件的增材制造。

設備特點：

• 配備差速式主軸
• 具備力控、溫度傳感、數字孿生及數模剖分等功能，可實現復雜構件的制造
• 數據采集及可視化
• 模塊化設計
• 宜人化人機界面
  

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領域的又一項重要創(chuàng)新。智慧刀柄可實現在線監(jiān)測加工狀態(tài)、預測加工質量等功能，加強數字化監(jiān)測加工信號，實現增材過程狀態(tài)的智能反饋，工藝參數同步優(yōu)化，達到智能生產目的。

設備特點：

• 智慧刀柄可以實時測量增材工具端溫度、扭矩及壓力，采集頻率達256Hz。
• 經無線信號傳輸至接收模塊，接收模塊同時輸出模擬量信號（電流或電壓）及數字信號反饋給計算機或工控機進行焊接參數的控制。
  

• 在穩(wěn)定性和服役壽命方面采取了更先進的設計。
  

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。

應用前景與行業(yè)影響

AFSD 技術的成功應用，使得金屬增材制造在多個領域展現出廣闊的市場潛力，特別是在航空航天、新能源汽車、軌道交通和電力電子領域：

• 航空航天領域：主要用于船舶上寬幅長型材鋁合金產品的在線攪拌摩擦焊接及焊后處理。設備集成輸送線和自動化工裝，滿足型材上料與轉運、裝夾與檢測、在線焊接及焊后定長鋸切等流水線生產功能，大幅度降低用戶的生產成本，提高生產效率。
• 新能源汽車領域：在進行汽車輕量化的進程中，鋁合金材料的應用顯得尤為出眾，除了汽車車身、底盤上應用外汽車的電機、電控、以及動力電池部件上鋁合金的應用也較為廣泛，相關的鋁合金加工設備需求也隨之產生。對于汽車鋁合金零件的加工，除了常規(guī)的加工設備外，針對不同的工藝需求所需要的設備也不同，比如針對鋁合金焊接的攪拌摩擦焊設備。
• 軌道交通領域：在軌道交通領域，車輛輕量化已經是發(fā)展的趨勢，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用的主要包括:高速列車鋁合金車體、LNG運輸罐、貨運車體、城際列車、磁懸浮列車、車載集裝箱箱體等。
• 電力電子領域：隨著雷達技術的不斷發(fā)展，固態(tài)發(fā)射機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，傳統強迫風冷不能滿足散熱要求。液冷冷板有散熱效率高、溫度梯度小、熱分布均勻和結構緊湊等顯著優(yōu)點，是目前固態(tài)功放組件冷卻的一種主要方式。
  

結語

航天工程裝備(蘇州)有限公司的攪拌摩擦固相增材技術，以其獨特的固態(tài)制造方式，成功解決了傳統金屬增材制造的諸多技術瓶頸，為高性能金屬零件制造提供了全新的解決方案。未來，隨著該技術的進一步發(fā)展和應用推廣，AFSD 有望成為金屬增材制造領域的重要突破口，為航空航天、高端裝備制造等行業(yè)帶來革命性的變革。