原位铝基复合材料搅拌摩擦加工工艺的研究

岳亚妹

摘 要：搅拌摩擦加工技术（Friction Stir Processing，FSP）是由搅拌摩擦焊原理演化而成的一种关于新型材料制备与改性的新技术，可以在一定程度上实现材料微观组织的均匀化、致密化和细化。在制备铝基复合材料时，采用此种技术可大大提高材料各方面的性能。本文主要介绍了FSP的基本原理以及用FSP制备的铝基复合材料的应用、研究现状及展望等。

关键词：搅拌摩擦加工技术 铝基复合材料

一、搅拌摩擦加工技术

1.原理。搅拌摩擦加工技术主要是利用搅拌头对加工区域材料进行剧烈的塑性变形，使其破碎、混合，从而实现材料微观组织均匀化、致密化和细化的一种新型技术。在进行操作的过程中，加工区域材料会在搅拌头所产生的机械搅拌和摩擦热的共同作用下，进行剧烈的塑性变形及其组织的动态再结晶过程，从而使加工区域组织显著致密化和均匀化，实现了材料性能的提高。在搅拌摩擦加工的过程中，搅拌头进行高速旋转的同时，向加工方向移动，以实现加工区域组织的变化。搅拌头主要是由搅拌针和轴肩组成的，搅拌针主要用于搅拌加工区域，同时控制周围母材的流动方向，目前，为了改善母材的流动性，多使用带有螺纹结构的圆柱形搅拌针。轴肩主要是起到与工件的表面摩擦产生热量，并防止软化金属溢出的作用。在加工时，先使搅拌头高速旋转，再使其缓慢地进入到待加工区域，通过机械搅拌产生的摩擦热使金属材料发生热塑性变形，在向加工方向移动的过程中，母材会由旋入侧流动到旋出侧，从而使材料组织更均匀。搅拌摩擦加工的影响因素主要有以下几个方面：（1）搅拌头。搅拌头的形状、旋转速度、向前移动的速度、加工倾角等都会影响加工材料的性能。大量的研究表明，搅拌针的旋转速度和行进速度对加工区域的变形量以及温度有重要的影响。当搅拌针的旋转速度和行进速度较低时，加工区域的温度较高，材料的变形能力较高，变形均匀，不易产生“洋葱环”、孔洞等缺陷。但若加工区域的温度过高，也会对材料的力学性能产生一定的影响。（2）加工参数。主要包括加工道次、多道塔接率以及轴肩下压量等。对于铝合金而言，提高加工道次可以使母材更细密，第二相分布更为均匀，由实验得，当加工道次为4道次时，细化效果最显著。加工倾角是指搅拌针轴线与母材外法线的夹角。夹角过小时，轴肩会挤出旋入侧材料，过大时，轴肩不能完全接触到加工表面，此时，加工区域出现孔洞等缺陷，同时，轴肩也不能很好地发挥锻造作用，材料的力学性能下降。

2.优势。搅拌摩擦技工技术是近年来发展起来的一种新型的固态加工技术，主要有以下几个方面的优点：材料在机械搅拌和摩擦热的双重作用下，发生剧烈的塑性变形以及回复再结晶，从而使母材组织更加细密，可有效地消除金属铸件中的疏松、缩孔、枝晶、第二相不均匀分布等缺陷，从而提高材料的强度硬度等性能；加工区域小，搅拌均匀，可有效地优化加工区域的组织。

二、搅拌摩擦加工技术制备铝基复合材料

1.制备方法。近年来，搅拌摩擦加工技术在制备金属基复合材料方面获得了很大的研究进展。大量的研究表明，利用搅拌摩擦加工技术制备金属基复合材料主要有两种方法：

1.1间接法。此种方法是在制备颗粒增强铝基复合材料时，将增强相颗粒与基体粉末混合完全，利用一定的工艺制成块状或层片状基体，再利用搅拌摩擦加工技术对基体进行二次加工，使第二相ZrB2颗粒均匀分布，从而获得所需性能的材料。

1.2直接法。在已制备好的基体上，利用机械加工方法，对铝基体进行开洞或开槽，然后加入ZrB2颗粒，再利用搅拌针进行搅拌，使增强相均匀分布于基体中，从而获得性能良好的金属材料。

2.增强颗粒的添加方式。在颗粒增强金属基复合材料中，颗粒的分布方式对其性能有很大的影響。由于搅拌摩擦加工会使增强相沿槽中心线被挤出，从而会影响第二相的分布，改变材料的性能。Mishra等人首先在铝合金基体上均匀覆盖了一层SiC颗粒，然后利用搅拌摩擦加工技术进行加工，发现加工后的材料中，SiC颗粒均匀分布，表面复合材料层与铝合金基体结合良好。Hsu等利用间接制备法，首先将Al粉分别与Cu和Ti混合，然后挤压成一定体积的坯料，再在773-803K空气气氛中烧结，最后将制得的材料利用搅拌摩擦加工技术进行加工。试验表明，用这种方法制得的增强材料，由于增强颗粒均匀分布，因此具有优异的性能。

3.搅拌摩擦加工铝基复合材料存在的问题。虽然搅拌摩擦加工技术在制备金属基复合材料方面具有优异的性能，但还是存在一定的问题，主要体现在以下几个各方面。

3.1润湿性。增强颗粒和铝基体之间的润湿性差异会影响增强颗粒在铝基体中的分布有，对于SiC等陶瓷颗粒，由于其与铝基体浸润性相差较大，在铝基体中易发生团簇等现象而不能均匀分布，破坏了铝基体的连续性，从而大大的影响了复合材料的性能。

3.2结合状态。增强颗粒与铝基体之间的界面结合方式会影响铝基复合材料的抗拉强度和断裂方式。

3.3物理性能差异。例如线膨胀系数的不同，当温度变化较大时，容易在两者界面结合处形成孔隙或微裂纹，这在很大程度上减弱了复合材料的抗塑性变形的能力。目前，搅拌摩擦加工技术制备铝基复合材料相对其他铝基复合材料制备技术而言还不是很成熟，在某些方面还存在较多的问题。但由于其具有良好的可重复、低能耗、易操作、无污染等优点，在以后的研究中，搅拌摩擦加工技术仍具有很大的潜能。

三、搅拌摩擦加工技术制备铝基复合材料研究现状及展望

搅拌摩擦技术具有众多的优点，可以显著地提高镁、铝、钛等合金的力学性能。另外，但凡具有良好流动性的材料（包括金属和非金属），都可以利用这种方法进行性能改性，所以在各个领域得到了广泛的应用。由于镁和铝具有较大的导热系数，因此目前的研究主要集中在铝合金和镁合金基体上。制备高性能铝基复合材料的方法主要有大塑性变形法、原位生成法、粉末冶金法、机械合金化以及内氧化法。利用FSP制备金属间化合物具有很大的可行性，由于该领域研究才刚起步，所以还有很多问题亟待解决。随着研究而进一步深入，利用搅拌摩擦加工技术制备纳米增强相金属基复合材料及金属间化合物具有良好的应用前景，将会是未来研究的热点。

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