高熵合金增强铝基复合材料组织与显微硬度研究

曹鹏飞，郝炳睿，孙振富，张孙艺，高吉成

（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引言

近年来，随着节能减排、绿色环保理念在车辆工程领域的深入，汽车制造业对比强度和可加工性优良的铝合金的需求在不断增加［1］。但是车辆工业的迅速发展对铝合金的性能提出越来越高的要求，传统铝合金材料在硬度和耐磨性等方面已经无法满足现代汽车工业的需求，如何在不改变基体性能的同时提高铝合金的表面性能成为铝合金研究的热点问题之一，而颗粒增强铝基复合材料为这一问题的解决提供了新的思路。目前，用于颗粒增强铝基复合材料的制备技术有搅拌铸造、粉末冶金和喷射成型等，但是这些技术往往在高温下进行，颗粒与基体的界面处会发生化学反应并产生脆性相，因此寻求新型的制备工艺迫在眉睫。

2003年，Mishra等人基于搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，FSW）技术提出了一种用于表面复合材料制备的新型加工技术——搅拌摩擦加工（Friction Stir Processing，FSP）［2］。作为一种新型的现代制造技术，搅拌摩擦加工是一次成型的快速加工技术，该技术可以通过局部的固态加工实现材料表面组织的均匀化和致密化；搅拌摩擦加工技术直接在基体表面进行加工，所获得的表面改性层与基体之间可以实现良好的冶金结合；同时，该技术在基体材料熔点以下进行，工艺简单，能耗小，是一种绿色的先进制造技术［3］。目前搅拌摩擦加工技术已经在铝合金、镁合金、钛合金等金属材料中得到广泛应用，尤其在铝合金材料中所体现出的快速高效的优势是其他加工技术所不能比拟的［4］。高熵合金是由5种以上元素按照等摩尔比或近等摩尔比组成的合金，其特性是所有元素共同作用，在强度、硬度和耐磨性方面具有传统合金所无法比拟的优异性能［5］。基于此，本文以FeCoNiCrMn高熵合金颗粒为增强相，以5083铝合金为基体，通过搅拌摩擦加工技术制备高熵合金颗粒增强铝基复合材料，研究加工道次对5083铝基复合材料微观组织和显微硬度的影响。

1 实验材料与方法

实验采用4mm厚5083铝合金为基体，增强相为FeCoNiCrMn高熵合金颗粒，其微观组织如图1所示，平均粒径约为20μm。采用开槽法添加颗粒，首先在5083铝合金表面加工深度为1.5mm、宽度为2mm的凹槽，将FeCoNiCrMn高熵合金颗粒填充至凹槽并压实，用无针搅拌头进行密封处理，通过有针搅拌头进行搅拌摩擦加工制备复合材料，加工道次分别为1、3和5。搅拌头采用H13钢制作，轴肩直径为20mm，搅拌针直径为5 mm，搅拌针长度为3.5mm，加工过程中旋转速度为1 000r／min，行进速度为60mm／min，下压量为0.1mm。

图1 FeCoNiCrMn高熵合金SEM图

通过S-4800扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）对样品的微观组织进行分析，通过能谱仪（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS）对样品化学成分进行分析，通过HV-1000B显微硬度计对复合材料硬度进行测试，载荷为50g，时间为5s，5次测量取平均值。

2 实验结果与分析

2.1 微观组织分析

图2为不同加工道次复合材料搅拌区的微观组织。1道次加工后，组织中存在大的颗粒，如图2（a）所示，其EDS分析如图3所示，其中白色颗粒为高熵合金。随着加工道次的增加，组织中FeCoNiCrMn高熵合金增强相明显碎化，且分布更加均匀，如图2（b）和图2（c）所示。这主要源于两方面的原因：一方面，搅拌摩擦加工过程中，FeCoNiCrMn高熵合金颗粒被5083铝合金基体包裹并在搅拌头的旋转和搅拌作用下随着基体金属一起流动，由于FeCoNiCrMn高熵合金与5083铝合金基体性能上的差异，使得粒子很难在基体中均匀分散，因此需要多道加工才能使得组织均匀化，同时，随着加工道次的增加，材料的流动能力和混合能力得到提升，且材料的迁移距离也大幅度增加；另一方面，搅拌摩擦加工是一种复杂的加工过程，该过程中同时存在几何动态再结晶、连续动态再结晶和不连续动态再结晶三种结晶机制，随着加工道次的增加，材料的流动应变率提高，从而使得组织更加细化。

图2 不同加工道次复合材料搅拌区微观组织

图3 复合材料EDS分析

2.2 显微硬度分析

图4 为不同加工道次复合材料的显微硬度。从图4中可以看出：基体的显微硬度较低，仅有HV65，添加FeCoNiCrMn高熵合金颗粒后，复合层的显微硬度得到明显提升，1道次加工的显微硬度值达到HV84，较基体提升了29%；随着加工道次的增加，显微硬度进一步提升，3道次加工后的显微硬度值为HV108，较基体提升了66%；5道次加工后，复合层的显微硬度达到116HV，较基体提升了79%。分析认为，显微硬度的提升源于搅拌摩擦加工过程中显微组织的细化和第二相强化。一方面，搅拌摩擦加工过程中，铝合金基体与搅拌头的相互作用产生大量的摩擦热，在搅拌头的旋转挤压和FeCoNiCrMn高熵合金颗粒的阻碍下，晶粒长大过程受到阻碍，晶粒细化且位错能大量积累，材料抵抗塑性变形的能力得到提升，随着搅拌摩擦加工道次的增加，动态再结晶后的晶粒会进一步细化，使得复合材料的显微硬度得到进一步提升；另一方面，FeCoNiCrMn高熵合金颗粒添加后，随着搅拌摩擦加工过程分散在5083铝合金基体中，且随着加工道次增加分散的更加均匀，第二相硬质颗粒的加入也可以使得材料的显微硬度得到提升。

图4 不同加工道次复合材料的显微硬度

3 结论

通过搅拌摩擦加工技术制备了FeCoNiCrMn高熵合金颗粒增强5083铝基复合材料，并研究了加工道次对复合材料微观组织和显微硬度的影响，结论如下：

（1）1道～5道次内，随着加工道次的增加，FeCoNiCrMn高熵合金颗粒在5083基体中分散更加均匀，团聚现象减少。

（2）添加FeCoNiCrMn高熵合金颗粒后，复合材料的显微硬度得到大幅度提升，最高硬度值为基体的1.79倍。

（3）搅拌摩擦加工技术在铝基复合材料制备中有着巨大的应用前景。