来自中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心与中国科学技术大学的研究人员，合作开发出一种无需后热处理的铝基纳米复合材料固态增材制造路径。该研究发表于Springer Nature，首次采用增材摩擦挤出沉积（AFED） 技术制备了碳纳米管增强Al6Mg纳米复合材料。所得材料的屈服强度达到约303 MPa，较AFED制备的5083铝合金提升了78%，创下基于摩擦搅拌的增材制造技术所制备非热处理Al-Mg合金的最高强度纪录。

传统铝合金通常需要通过固溶和淬火等后处理工艺来提升强度，但这类热处理易导致复杂几何结构变形或开裂。以摩擦搅拌增材制造为代表的固态增材制造技术，通过摩擦热和剧烈塑性变形实现材料沉积，避免了熔融凝固缺陷。然而，此类工艺制备的Al-Mg合金屈服强度通常低于270 MPa。

作为FSBAM技术的新变体，增材摩擦挤出沉积在挤出前引入预变形阶段，使原材料与旋转模具间产生强烈摩擦。这种双重剪切变形过程改善了颗粒分散性，并在沉积过程中细化微观组织，最终形成致密无缺陷的沉积层。

工艺控制与力学响应

研究团队采用粉末冶金工艺制备CNT/Al6Mg原材料：将Al-6 wt.% Mg粉末与1 wt.%多壁碳纳米管混合，以200 rpm转速球磨、压实后，通过热挤压制成圆柱形坯料。该坯料作为AFED原料进行沉积，其中CNT/Al6Mg沉积转速为700 rpm，5083Al为300 rpm。嵌入首层的热电偶记录的热循环显示，CNT/Al6Mg的峰值沉积温度约503°C，5083Al为455°C，证实更高转速带来更大热输入。

制备的十层沉积试样厚度均匀且无裂纹或孔隙。5083Al在300 rpm下可获得光滑表面，而CNT/Al6Mg需更高转速以消除表面凹坑。显微硬度测试显示，CNT/Al6Mg平均硬度达129 HV，较5083Al的90 HV提升43.3%。拉伸测试表明材料在纵向、横向和构建方向均呈现各向同性：CNT/Al6Mg屈服强度约303 MPa，极限抗拉强度约418 MPa；而5083Al分别为约170 MPa和约314 MPa。

如图对比数据所示，CNT/Al6Mg的性能超越了此前所有基于摩擦搅拌增材制造的非热处理Al-Mg材料。

微观组织细化与强化机理

电子背散射衍射分析表明，晶粒细化是性能提升的关键。AFED 5083Al为平均尺寸3.8 μm的等轴晶，而CNT/Al6Mg呈平均1.3 μm的拉长晶粒，晶粒尺寸减少66%。CNT/Al6Mg中大角度晶界比例达94.3%，高于5083Al的80%。织构分析显示其剪切组分随机分布倍数仅为2.4 MRD，低于5083Al的5.15 MRD，表明晶粒取向更趋随机。

透射电镜证实分散的碳纳米管被MgO、MgAl₂O₄和Al₄C₃纳米颗粒包围，形成颗粒聚集区。这些颗粒抑制了晶粒生长并产生局部位错钉扎。拉曼光谱显示碳纳米管结构基本保持完整，Iᴅ/Iɢ比值从原料的0.81升至沉积后的0.97–1.06，表明损伤轻微。

定量分析表明强化主要源于晶界强化与奥罗万机制：晶界强化贡献约182.6 MPa，位错-颗粒相互作用产生的奥罗万强化贡献51 MPa。位错强化与固溶强化作用较小，因碳纳米管倾向于在PAZs内聚集，载荷传递效应可忽略。

性能对比与固态制造优势

CNT/Al6Mg的屈服强度突破了此前摩擦搅拌基Al-Mg体系200–270 MPa的典型范围。由于AFED全程处于固态，既避免了熔融基增材制造因熔化冷却产生的缺陷，也无需后续淬火或时效处理。该工艺在全方位呈现出均匀的硬度分布与一致的拉伸性能。

化学分析表明，沉积过程中镁原子与碳纳米管表面吸附的氧相互作用，形成MgO和MgAl₂O₄颗粒。这些纳米颗粒作为扩散屏障，限制了碳纳米管碎片与铝基体的进一步反应，减少了脆性Al₄C₃相的形成，提升了界面稳定性。晶粒细化与纳米增强的协同作用，最终在无需额外热处理的情况下实现了屈服强度78%的提升。

未来研究可通过优化工艺参数、调整碳纳米管含量，进一步平衡材料强度与塑性。改变转速与送料速率可针对不同结构需求调控晶粒尺寸与颗粒分散性。AFED制备CNT/Al6Mg的优异性能证实，固态增材制造技术能够生产出适用于轻量化工程部件的高强度、免热处理铝基纳米复合材料。

此项研究通过结合剧烈塑性变形、精确热控制与纳米级增强，确立了AFED作为一种制造高机械稳定性、低变形铝基复合材料的有效技术路径。