铝及铝基复合材料因其高比强度、优良耐腐蚀性和可回收性，在航空航天、交通运输及轻量化结构领域具有广泛应用前景。然而，传统熔融型增材制造工艺中不可避免的高温熔化–凝固过程，往往导致晶粒粗化、增强体团聚以及界面反应失控，严重制约了铝基纳米复合材料的综合性能提升。增材摩擦挤出沉积（Additive Friction Extrusion Deposition，AFED）作为一种固态增材制造技术，通过摩擦生热与剧烈塑性变形实现材料沉积，有效避免了熔化缺陷。然而，其全过程中材料经历的组织重构路径极其复杂，尤其是纳米颗粒在沉积过程中的分布演化与晶界调控机制，仍缺乏系统认识。

近日，中科院金属所与中国科学技术大学的研究团队在系统研究AFED的过程中，深入揭示了铝基纳米复合材料与铝合金在“粉末→塑性流动→层间沉积→成形构件”全过程中的显微组织演化机制，该研究从多尺度角度阐明了AFED工艺中剧烈塑性变形、摩擦热输入与纳米增强体协同作用对晶粒细化、织构演变及界面稳定性的影响，为高性能铝基增材制造材料的设计提供了重要理论依据。目前该成果2025年12月在材料领域的国际权威期刊《Journal of Materials Science & Technology》以“Microstructure evolution in aluminum matrix nanocomposites and aluminum alloys throughout whole process of additive friction extrusion deposition”为题在线发表，通讯作者为中科院金属所的刘峰超研究员。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.12.027

【核心内容】

在这项研究中，团队系统研究了Al6061与CNT/Al6061在沉积全过程中的显微组织演化机制。研究发现，CNT的加入使复合材料在沉积阶段晶粒尺寸降至1–2μm（仅为Al6061的1/10），显著弱化织构并抑制后续T6处理中的异常晶粒长大。T6处理后CNT/Al6061抗拉强度达352MPa，较Al6061提升38%，且延展性保持在12%，细晶组织、均匀分散的CNT及稳定界面协同调控了位错滑移与储存行为，使材料在多次热循环后仍能实现强度提升且不牺牲塑性，该研究从组织演化机理层面揭示了AFED在突破传统强度–塑性权衡方面的潜力，为高性能铝基增材制造材料的设计提供了新的思路。

图形摘要

【研究方法】

该研究以直径为20mm的CNT/Al6061棒材为原料进行AFED，将含1wt.%碳纳米管的Al6061粉末在研磨器中以400rpm的转速高能球磨6h，在580℃真空热压1h，在450℃热挤压制备了CNT/Al6061棒材，并以20mm的工业挤压Al6061为对照，AFED实验的衬底是商用Al6061。

采用的设备为团队自主开发的AFED设备，以600rpm转速、200mm/min行进速度及28mm/min送料速率制备了最终沉积高度为11.7mm的9层样品。为了进一步优化性能，对沉积的CNT/Al6061和Al6061进行了530℃-2h的固溶处理，水淬后进行170℃-6h的人工时效（T6热处理）。

在AFED过程中，采用了紧急停机和水淬来‘冻结’显微组织，使用了专门设计的可拆分沉积模具，在AFED过程中，使用了底部锁环来防止沉积模具打开，在AFED过程中紧急停止和水淬后，锁紧环被松开，允许分离沉积模具并获得完整的样品。结合EBSD、TEM、硬度测试及拉伸实验，分析晶粒结构、析出相和CNT分布，明确动态再结晶（DRX）、晶粒长大与析出行为的关键节点。

AFED工艺示意图

AFED设备及紧急停止过程示意图

低倍OM图像及与沉积膜的位置关系

【研究成果】

① CNT促进晶粒细化与动态再结晶

AFED过程中，CNT通过产生几何必要位错促进DRX，并钉扎晶界抑制晶粒长大。相比之下，Al6061在相同位置晶粒尺寸为16.2μm，且残留高比例小角度晶界。CNT的加入使复合材料在各阶段晶粒尺寸均仅为Al6061的1/10，为强度提升奠定基础。

AFED CNT/Al6061在不同位置（B1-B4）的微观结构分析

AFED Al6061在不同位置（A1-A4）的IPF图、GOS图及极图分析

AFED过程中晶粒结构演变示意图（包括晶粒尺寸、HAGBs比例等分布）

② 织构弱化与随机晶界分布

CNT/Al6061在沉积后织构强度始终低于3，接近随机取向分布，而Al6061在沉积层顶部形成强剪切织构{112}<110>（强度10.2）。CNT通过促进再结晶而非变形状态维持，使复合材料大角度晶界比例达94%，高于Al6061的69%，有效减少各向异性，提升材料均匀性。

沉积层顶部和底部的晶粒形态、晶界取向差分布及极图

沉积后Al6061的TEM图像、元素分布及高分辨率分析

③ 析出相行为与CNT界面反应

多层沉积后，Al6061底部生成粗大Q相（~500nm），而CNT/Al6061中CNT周围形成Mg₂Si（~120nm）和MgAl₂O₄颗粒。CNT的大比表面积和缺陷促进Mg、Si、O原子偏聚，发生界面反应。T6处理后，CNT/Al6061析出高密度β’’相（0.45 vol.%），但粗大Mg2Si消耗溶质原子，导致β’’相体积分数较Al6061降低50%，但仍通过细晶和负载传递补偿强化效果。

AFED过程中底层材料的热循环曲线

CNT/Al6061原料及沉积后样品的TEM图像

沉积后CNT/Al6061顶部和底部层的元素分布图

T6热处理前后样品的明亮场TEM图像（β"析出相分析）

④ 力学性能显著各向同性提升

T6处理后，CNT/Al6061在横向（TD）和纵向（LD）的抗拉强度达378MPa，纵向延伸率12%，而Al6061为254MPa。CNT的平面分布使BD方向强度略低（301MPa），但整体各向同性优于Al6061。强化机制分析表明，细晶强化（σ_gb=89MPa）、位错强化（σ_dis=42MPa）及CNT负载传递（σ_oa=74MPa）协同作用，抵消β″相强化下降的影响。

T6热处理后样品的工程应力-应变曲线及拉伸性能

AFED及热处理后微观结构演变示意图

⑤ CNT抑制异常晶粒长大提升热稳定性

T6处理时，Al6061发生异常晶粒长大，尺寸达到毫米级，而CNT/Al6061保持1.2μm均匀细晶，同时CNT通过钉扎晶界有效抑制应变诱导晶界迁移，避免粗晶导致的应力集中和裂纹扩展，此外，MgAl₂O₄颗粒的高热稳定性进一步保障组织在多层沉积中的均匀性，使复合材料硬度分布更均匀。

T6热处理后AFED Al6061和CNT/Al6061的典型晶粒结构

T6热处理后AFED样品的硬度分布

【总结与展望】

该研究首次从全过程视角系统揭示了AFED技术中铝合金与铝基纳米复合材料的显微组织演化机制，明确了动态再结晶、纳米颗粒再分布及界面稳定性之间的协同关系，这一成果不仅为高性能铝基增材制造材料的结构设计提供了理论支撑，也为固态增材制造技术在航空航天与高端装备领域的应用奠定了坚实基础。