Numerical Simulation of Additive Friction Stir Deposition Process for CNT Reinforced Aluminum Matrix Composites

WANG Tingting; ZHU Shuai; QI Na; WANG Jingyu; TANG Jianfei; SONG Kuijing

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2026.01.01

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Numerical Simulation of Additive Friction Stir Deposition Process for CNT Reinforced Aluminum Matrix Composites
Vol. 56, Issue 1, Pages: 1-11(2026)
Received：01 May 2025，

Revised：2025-06-23，

Published：20 January 2026
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2026.01.01
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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

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