增材制造技术是一种快速发展的新兴技术,因其在复杂结构制造和小批量生产方面具有低成本、高效率等优点,受到广泛关注。常用的金属增材制造方法有激光、电子束和电弧增材制造,3种方法各具的优势和适用范围,在轻合金的增材技术上存在较多的问题。搅拌摩擦增材制造技术应运而生,在轻合金增材方面独具优势,但仍存在材料利用率低、加工余量大等问题,因此,开发一种小余量甚至无余量的固态增材制造方法十分必要。本文基于静轴肩搅拌摩擦焊原理,提出采用绿色、环保的静轴肩搅拌摩擦焊方法对铝合金进行增材制造。本文设计的静轴肩搅拌摩擦增材制造系统由静止轴肩系统、增材成形工具和专用夹具组成;采用自主设计的增材系统基本实现了2024-T4铝合金的无余量增材制造,成形良好,证明了静轴肩搅拌摩擦增材制造的可行性;随着增材层数的增加,有效增材宽度和增材率减小,材料有效利用率逐渐增加,总增材高度呈非线性增长。本文对静轴肩搅拌摩擦增材成形因素进行了较系统的研究。结果表明,锥形搅拌针成形工具配合滚轮碾压式轴肩有利于增材成形。单层增材区宽度及界面迁移高度随着行走速度的增加而减小,随着旋转速度的增加而增加;界面迁移深度随着行走速度的增加而逐渐增加,随着旋转速度的增加而减小。旋转速度为600rpm,行进速度为30mm/min时,增材区成形较好,无缺陷,界面迁移量较小,增材宽度较大。增材厚度较大时,增材区容易产生缺陷;搅拌针长度4mm、增材厚度3mm时,增材区成形良好,表面无缺陷;多层同向增材与逆向增材对增材区成形影响不大。约束状态对静轴肩搅拌摩擦增材成形有重要影响,宽板约束不利于增材成形,增材区变形大,易产生缺陷;窄板约束增材时,增材区不易变形,增材过程较稳定,有利于控制与预测增材区形状,为了实现无余量增材制造,应尽量减小基材宽度。同时,对铝合金静轴肩搅拌摩擦增材块体材料的成形、组织及性能进行了研究。硬度试验表明,增材前进边硬度略高于返回边,顶层硬度高于底层,同一水平位置显微硬度分布相对均匀,垂直方向上显微硬度存在梯度。拉伸试验表明,不同厚度位置水平拉伸强度差异较大,顶层强度高于底层,随着增材层数的增加,底层强度逐渐降低,最后趋于稳定,增材体拉伸性能在厚度方向存在各向异性。