CNT/Al复合材料搅拌摩擦沉积增材数值模拟研究

王婷婷; 朱帅; 綦娜; 王静雨; 汤剑飞; 宋奎晶

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2026.01.01

重点关注 | 浏览量 : 0 下载量: 0 CSCD: 0

PDF
导出
分享
收藏
专辑

CNT/Al复合材料搅拌摩擦沉积增材数值模拟研究
Numerical Simulation of Additive Friction Stir Deposition Process for CNT Reinforced Aluminum Matrix Composites
2026年56卷第1期页码：1-11
收稿：2025-05-01，

修回：2025-06-23，

纸质出版：2026-01-20
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2026.01.01
稿件说明：

移动端阅览

王婷婷，朱帅，綦娜，等.CNT/Al复合材料搅拌摩擦沉积增材数值模拟研究［J］.电焊机，2026，56（1）：1-11. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2026.01.01.

WANG Tingting, ZHU Shuai, QI Na, et al.Numerical Simulation of Additive Friction Stir Deposition Process for CNT Reinforced Aluminum Matrix Composites[J].Electric Welding Machine, 2026, 56(1): 1-11. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2026.01.01.

摘要

为实现对碳纳米管增强铝基复合材料（CNT/Al）固相搅拌摩擦沉积增材（Additive Friction Stir Deposition，AFSD）过程的研究，建立CNT/Al的AFSD计算模型。采用ABAQUS软件的耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian，CEL）算法，考虑搅拌工具和增材层之间逐渐建立的接触状态，并通过热电偶对实验过程进行测温实现对模型的校对，证明模拟的可靠性。分析了AFSD过程中的表面成形、温度场、应变场与界面冶金结合，以及主轴转速的影响。结果表明，主轴转速的提高引起AFSD区域温度和应变峰值的升高以及热塑性变形区范围的扩大，促进增材界面处CNT/Al和6061基板材料的混合。AFSD表面塑性变形区在轴肩以内，但具有比搅拌摩擦焊更大热输入，良好成型工艺区间更窄。优化沉积参数及进料棒与轴肩之间的尺寸匹配关系，改善增材层材料流动及其与基板冶金结合，可以提高沉积质量。

Abstract

In order to study the additive friction stir deposition (AFSD) process of carbon nanotube-reinforced aluminum matrix composites (CNT/Al)

the AFSD calculation model of CNT/Al was established. The coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) algorithm of ABAQUS software was used to consider the gradually established contact state between the stirring tool and the additive layer

and the thermocouple temperature measurement was used to calibrate the model to prove the reliability of the simulation. The characteristics of surface shaping

temperature field

strain field and interfacial metallurgical bonding

as well as effect of rotational speeds in the AFSD process were analyzed. The results show that the simulated thermal cycle curve and the measured are in good agreement

which can prove the rationality of the simulation. The increase in rotational speed leads to an increase in temperature and strain peaks and an expansion of the thermal-mechanically affected region

while increasing the mixing of CNT/Al and 6061 substrate materials and promoting metallurgical bonding at the additive interface. The plastic deformation zone of the AFSD surface is within the shoulder

but it has a larger heat input than friction stir welding

and the process parameters have a limited choice. Optimizing the deposition parameters and the size matching relationship between the feed rod and the shaft shoulder

and rationally designing the shape of the shaft shoulder to improve the flow of additive layer materials and its metallurgical combination with the substrate can improve the quality of deposition.

关键词

Keywords

references

黄静宏，邹仁珍，陈航，等 . 航天用碳纳米管增强铝合金复合材料的力学与阻尼性［J］. 上海航天， 2024 ， 41 （ 3 ）： 103 - 109 .

HUANG J H ， ZOU R Z ， CHEN H ， et al . Mechanics and damping properties of carbon nanotube-reinforced aluminum alloy composites for aerospace ［J］. Shanghai Aerospace ， 2024 ， 41 （ 3 ）： 103 - 109 .

林师朋，刘金炎，纪艳丽 . CNTs增强铝基复合材料研究现状［J］. 有色金属科学与工程， 2017 ， 8 （ 02 ）： 57 - 62 .

LIN S P ， LIU J Y ， JI Y L . Research Status of CNTs Reinforced Aluminum Matrix Composites ［J］. Nonferrous Metals Science and Engineering ， 2017 ， 8 （ 02 ）： 57 - 62 .

余炜琳，孙天宇，郭柏松 . 碳纳米管增强Al基复合材料界面调控及性能研究进展［J］. 铸造技术， 2023 ， 44 （ 07 ）： 599 - 610 .

YU W L ， SUN T Y ， GUO B S . Research Progress on Interface Manipulation and Properties of Carbon Nanotube reinforced Al Matrix Composites ［J］. Casting Technology ， 2023 ， 44 （ 07 ）： 599 - 610 .

刘峰超，曾皓，马宗义，等 . 碳化硅颗粒增强铝基复合材料构件的固态增材制造方法： CN117840569A ［P］. 2024-04-09 .

孙康，肖笑，石红信，等 . 钛合金电弧增材制造温度与残余应力数值模拟［J］. 材料热处理学报， 2025 ， 46 （ 4 ）： 202 - 210 .

SUN K ， XIAO X ， SHI H X ， et al . Numerical Simulation of Temperature and Residual Stress in Titanium Alloy Arc Additive Manufacturing ［J］. Journal of Materials and Heat Treatment ， 2025 ， 46 （ 4 ）： 202 - 210 .

卢裕尔，孙文磊，钟荟玄，等 . 激光增材制造316L从单层到多层沉积的热行为模拟与实验研究［J］. 热加工工艺， 2024 ， 53 （ 20 ）： 129 - 139 .

LU Y E ， SUN W L ， ZHONG H X ， et al . Simulation and Experimental Study on Thermal Behavior of Laser Additive Manufacturing 316L from Single Layer to Multilayer Deposition ［J］. Hot Process Technology ， 2024 ， 53 （ 20 ）： 129 - 139 .

王波，孙志超，张洪涛，等 . 热辅助超声波增材制造设备设计与分析［J］. 焊接学报， 2019 ， 40 （ 11 ）： 111 - 118 .

WANG B ， SUN Z C ， ZHANG H T ， et al . Design and analysis of heat-assisted ultrasonic additive manufacturing equipment ［J］. Journal of Welding Science ， 2019 ， 40 （ 11 ）： 111 - 118 .

刘海华，刘希芝，李维 . 倾斜薄壁增材过程中基板的热应力数值模拟［J］. 材料科学与工艺， 2023 ， 31 （ 4 ）： 70 - 77 .

LIU H H ， LIU X Z ， LI W . Numerical Simulation of Thermal Stress of Substrate in Inclined Thin-walled Additive Process ［J］. Materials Science and Technology ， 2023 ， 31 （ 4 ）： 70 - 77 .

胡艳娇，张钰，李敏，等 . 激光增材制造钛合金温度场数值模拟［J］. 热加工工艺， 2018 ， 47 （ 22 ）： 66 - 69 .

HU Y J ， ZHANG Y ， LI M ， et al . Numerical Simulation of Temperature Field of Titanium Alloy for Laser Additive Fabrication ［J］. Hot Process Technology ， 2018 ， 47 （ 22 ）： 66 - 69 .

王瑞超，朱国崇，李会军，等 . CMT电弧增材制造铝合金传热传质与熔池行为数值模拟［J］. 焊接学报， 2024 ， 45 （ 7 ）： 92 - 100+108 .

WANG R C ， ZHU G C ， LI H J ， et al . Numerical Simulation of Heat and Mass Transfer and Melt Pool Behavior of Aluminum Alloy for Additive Manufacturing by CMT Arc ［J］. Journal of Welding Science ， 2024 ， 45 （ 7 ）： 92 - 100+108 .

石岩，郭志，刘佳，等 . SLM增材制造微流道内表面磨粒流抛光工艺与机理［J］. 表面技术， 2021 ， 50 （ 9 ）： 361 - 369+389 .

SHI Y ， GUO Z ， LIU J ， et al . Process and mechanism of abrasive flow polishing on the inner surface of SLM additive manufacturing microfluidic channel ［J］. Surface Technology ， 2021 ， 50 （ 9 ）： 361 - 369+389 .

袭著鑫 . 侧向搅拌摩擦增材制造温度场模拟与成型研究［D］. 黑龙江：东北林业大学， 2022 .

XI Z X . Study on Temperature Field Simulation and Molding of Lateral Friction Stir Additive Manufacturing ［D］. Heilongjiang ： Northeast Forestry University ， 2022 .

刘清贤，杨滨，东青，等 . AFAM 7050铝合金的数值模拟［J］. 世界有色金属， 2018 （ 06 ）： 8 - 9 .

LIU Q X ， YANG B ， DONG Q ， et al . Numerical simulation of AFAM 7050 aluminum alloy ［J］. World Nonferrous Gold ， 2018 （ 06 ）： 8 - 9 .

Kincaid K C ， MacPhee D W ， Stubblefield G G ， et al . A Finite Volume Framework for the Simulation of Additive Friction Stir Deposition ［J］. J. Eng. Mater. Technol. ， 2023 ， 145 （ 3 ）： 031002 .

Yang H G . Numerical Simulation of the Temperature and Stress State on the Additive Friction Stir with the Smoothed Particle Hydrodynamics Method ［J］. Strength of Materials ， 2020 ， 52 （ 7 ）： 24 - 31 .

张昭，谭治军 . Ti-6Al-4V在搅拌摩擦增材中晶粒生长的数值模拟［J］. 世界有色金属， 2018 （ 06 ）： 15 - 18 .

ZHANG Z ， TAN Z J . Numerical Simulation of Grain Growth of Ti-6Al-4V in Friction Stir Additive ［J］. World Nonferrous Metals ， 2018 （ 06 ）： 15 - 18 .

苏宇，李文亚，杨夏炜，等 . 2195铝合金叠层搅拌摩擦增材制造数值模拟研究［J］. 铸造技术， 2022 ， 43 （ 12 ）： 1042 - 1050 .

SU Y ， LI W Y ， YANG X W ， et al . Numerical simulation study on 2195 aluminum alloy stacked friction stir additive manufacturing ［J］. Casting Technology ， 2022 ， 43 （ 12 ）： 1042 - 1050 .

Zhang Z ， Tan Z J ， Li J Y ， et al . Integrated modeling of process-microstructure-property relations in friction stir additive manufacturing ［J］. Acta Metallurgica Sinica （English Letters）， 2020 ， 33 （ 1 ）： 75 - 87 .

董家亮 . 7003/6060异种铝合金搅拌摩擦焊接头的组织特征与力学性能研究［D］. 广东：华南理工大学， 2020 .

DONG J L . Study on the Microstructure Characteristics and Mechanical Properties of Dissimilar Aluminum Alloys Friction Stir Welding Joints ［D］. Guangdong ： South China University of Technology ， 2020 .

Mahoney M W ， Rhodes C G ， Flintoff J G ， et al . Properties of friction-stir-welded 7075 T651 aluminum ［J］. Metallurgical and Materials Transactions A ， 1998 ， 29 （ 7 ）： 1955 - 1964 .

Colegrove P A ， Shercliff H R . Experimental and numerical analysis of aluminium alloy 7075-T7351 friction stir welds ［J］. Science and Technology of Welding and Joining ， 2003 ， 8 （ 5 ）： 360 - 368 .

Ram R ， Harish L ， Dharavathu R ， et al . Understanding in-process responses in multi-layer friction stir additive manufacturing：Temperature，viscosity，tool torque，and mechanical properties ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2024 ， 330 .

Martina E S ， Fabian V ， Christian B ， et al . Determining material model parameters by optimization for temperature controlled friction stir additive manufacturing ［J］. Procedia CIRP ， 2023 ， 120 ： 475 - 480 .

Garciaa D ， Hartleya W D ， Raucha H A ， et al . In situ investigation into temperature evolution and heat generation during additive friction stir deposition： A comparative study of Cu and Al-Mg-Si ［J］. Additive Manufacturing ， 2020 ： 34 .

张帅，王进 . 基于CEL方法的搅拌摩擦焊6061铝合金温度场研究［J］. 精密成形工程， 2023 ， 15 （ 3 ）： 64 - 71 .

ZHANG S ， WANG J . Research on Temperature Field of 6061 Aluminum Alloy Friction Stir Welding Based on CEL Method ［J］. Precision Forming Engineering ， 2023 ， 15 （ 3 ）： 64 - 71 .

吴晓虎，曹丽杰，苗臣怀 . 基于CEL方法的异种合金搅拌摩擦搭接焊数值模拟［J］. 农业装备与车辆工程， 2023 ， 61 （ 4 ）： 63 - 68 .

WU X H ， CAO L J ， MIAO C H . Numerical Simulation of Dissimilar Alloy Friction Stir Lap Welding Based on CEL Method ［J］. Agricultural Equipment and Vehicle Engineering ， 2023 ， 61 （ 4 ）： 63 - 68 .

刘澳，曹岳，华鹏，等 . 基于CEL模型的AZ91D镁合金搅拌摩擦焊材料流动行为数值模拟［J］. 焊管， 2024 ， 47 （ 11 ）： 39 - 45 .

LIU A ， CAO Y ， HUA P ， et al . Numerical Simulation of Material Flow Behavior in Friction Stir Welding of AZ91D Magnesium Alloy Based on CEL Model ［J］. Welded Pipe ， 2024 ， 47 （ 11 ）： 39 - 45 .

向卫国 . 基于CEL模型的铝/钢异种金属搅拌摩擦焊数值模拟和试验研究［D］. 重庆：重庆理工大学， 2024 .

XIANG W G . Numerical Simulation and Experimental Study of Aluminum/Steel Dissimilar Metals Friction Stir Welding Based on CEL Model ［D］. Chongqing ： Chongqing University of Technology ， 2024 .

赵梓钧 . 铝锂合金搅拌摩擦增材组织性能及流动特征研究［D］. 天津：天津大学， 2018 .

ZHAO Z J . Study on friction stir additive microstructure properties and flow characteristics of aluminum-lithium alloy ［D］. Tianjin ： Tianjin University ， 2018 .

张泽宇 . 碳纳米管增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接头组织性能研究［D］. 江苏：南京理工大学， 2021 .

ZHANG Z Y . Study on microstructure properties of friction stir welding joints of carbon nanotube-reinforced aluminum matrix composites ［D］. Jiangsu ： Nanjing University of Science and Technology ， 2021 .

李志强，飞尚才 . 6061铝合金FSW焊接接头组织和力学性能分析［J］. 焊接技术， 2024 ， 53 （ 8 ）： 44 - 48 .

LI Z Q ， FEI S C . Microstructure and mechanical properties analysis of 6061 aluminum alloy FSW welded joints ［J］. Soldering Technology ， 2024 ， 53 （ 8 ）： 44 - 48 .

Ruilin L ， Diqiu H ， Luocheng L ， et al . A study of the temperature field during ultrasonicassisted friction-stir welding ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2014 ， 73 （ 1-4 ）： 321 - 327

JOHNSON G R ， COOK W H . Fracture characteristics of three metals subjected to various strains， strain rates， temperatures and pressures ［J］. Engineering fracture mechanics ， 1985 ， 21 （ 1 ）： 31 - 48 .

李高辉 . ZK60镁合金双轴肩搅拌摩擦焊接头成形机制与组织性能研究［D］. 黑龙江：哈尔滨工业大学， 2022 .

LI G H . Study on the forming mechanism and microstructure of ZK60 magnesium alloy double-shoulder friction stir welding joint ［D］. Heilongjiang ： Harbin Institute of Technology ， 2022 .

弋翔宇 . 5083-O铝合金搅拌摩擦焊接数值仿真及焊接性能研究［D］. 吉林：吉林大学， 2021 .

YI X Y . Numerical simulation and welding performance of 5083-O aluminum alloy friction stir welding ［D］. Jilin ： Jilin University ， 2021 .

Cao J Y ， Wang M ， Kong L ， et al . Numerical modeling and experimental investigation of material flow in friction spot welding of Al 6061-T6 ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2016 ， 89 （ 5-8 ）： 2129 - 2139 .

编辑部网址： http：//www.71dhj.com http://www.71dhj.com