分享：行进速度对搅拌摩擦加工高熵合金增强铝基复合材料组织与性能的影响
高吉成,顾 淦,仲 尚,董嘉辰,张孙艺
(扬州大学机械工程学院,扬州 225127)
摘 要:采用搅拌摩擦加工技术制备了 FeCoNiCrAl高熵合金颗粒增强 AA5083铝基复合材料,研究了行进速度(45,60,75mm·min-1)对复合材料中高熵合金颗粒分布、显微硬度和耐磨性能的影响。结果表明:制备的复合材料中没有新相生成,复合材料的显微硬度高于铝合金基体的;随着行进速度的增加,高熵合金颗粒的分布均匀性变差,复合材料的显微硬度略微降低;复合材料的平均摩擦因数和磨损率均较铝合金基体的低;随着行进速度的增加,复合材料摩擦因数和磨损率均增大,耐磨性能下降;复合材料和铝合金的磨损机制分别为磨粒磨损和黏着磨损。
关键词:搅拌摩擦加工;行进速度;高熵合金颗粒;显微硬度;磨损率;磨损机制中图分类号:TB333 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)08-0061-05
0 引 言
航空航天工业的迅速发展对铝合金的性能,特别是硬度和耐磨性能提出了更高的要求;在铝合金中添加增强相颗粒制备的复合材料能满足这一要求。目前颗粒增强铝基复合材料的制备技术主要包括粉末冶金和铸造等,由于这些工艺通常在高温下进行,高温下增强相颗粒会与基体发生化学反应生成对复合材料性能有害的相[1],同时还存在颗粒相分布不均的问题,因此新型制备技术的开发显得非常重要。搅拌摩擦加工(FSP)技术是一种高效、绿色环保的加工方 法,目 前 主 要 应 用 于 材 料 表 面 改 性 以61高吉成,等:行进速度对搅拌摩擦加工高熵合金增强铝基复合材料组织与性能的影响及超塑性材料和复合材料的制备[2]。FSP技术可以通过预先开槽或打孔的方式在基体材料表面植入增强相,利 用 搅 拌 工 具 的 强 烈 搅 拌 作 用 使 加 工区域产生剧 烈 的 塑 性 变 形,从 而 在 不 改 变 基 体 结构和性 能 的 条 件 下 制 备 得 到 复 合 材 料 层[3-4]。高熵合金是指由5种或5种以上原子分数在5%~35%的元素 组 成 的 合 金,由 于 其 组 织 是 固 溶 体 而不 是 金 属 间 化 合 物,因 此 具 有 良 好 的 塑 性[5-7];同时,高熵合金 中 大 量 不 同 原 子 半 径 的 元 素 产 生 的严重晶格畸 变 使 合 金 表 现 出 较 高 的 强 度 和 硬 度。研究表明,在 铝 合 金 中 添 加 高 熵 合 金 颗 粒 可 以 提高铝 合 金 的 力 学 性 能[8-12]。AA5083 铝 合 金 因 具有优异的耐 腐 蚀 性 能、良 好 的 焊 接 性 能 以 及 较 高的强度而广泛应用于航空航天领域。开展高熵合金颗粒增强 AA5083铝基复合材料的研究对扩大AA5083铝合金的应用范围具有重 要 作 用。目 前针对高熵合金颗粒增强 AA5083铝基复合材料的研究 较 少。 作 者 以 AA5083 铝 合 金 为 基 体,以FeCoNiCrAl高熵合金颗粒为增强相,通过 FSP技术制备了高 熵 合 金 颗 粒 增 强 铝 基 复 合 材 料,研 究了 FSP过程中行进速度对复合材料中合金颗粒分布、显微硬度和耐磨性能的影响。
1 试样制备与试验方法
基体材料为 AA5083铝合金,由吕辰金属材料有限公司提供,尺寸为200mm×200mm×5mm;增强相材料为 FeCoNiCrAl高熵合金粉末,由江苏威拉里新材料科技有限公司提供,其微观形貌及微区成分见图1。采用线切割法在 AA5083铝合金试样表面加工出用于 填 充 高 熵 合 金 粉 末 的 凹 槽,凹 槽 宽 度 为2mm,深度为1.5mm。清洗凹槽,将高熵合金粉末填充于凹槽中并压实,采用 XK7140型数控铣床设备通过无针搅拌头进行密封处理,以防止后期加工过程中高熵合金粉末溢出,然后使用带针搅拌头制备高熵合金增强 AA5083铝基复合材料。整个FSP过程如图2所示。搅拌头采用 H13钢制作,搅拌针为圆柱形,直径为4mm,长度为3.5mm,轴肩直径为20mm。FSP时搅拌头转速为1200r·min-1,行进速度为45,60,75mm·min-1,加工道次为5道次,每道次加工完成后,在保持搅拌头旋转方向不变的情况下从末端反方向加工。图1 FeCoNiCrAl高熵合金粉末的微观形貌和微区成分Fig.1 Micromorphology(a)andmicro-areacomposition(b)ofFeCoNiCrAlhigh-entropyalloypowder图2 FSP过程示意Fig.2 DiagramforFSPprocessing采用 S4800型和 Zeiss_Supra55型扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料横截面微观形貌。采用D8Advance型多晶 X射线衍射仪(XRD)分析复合材料的物相组成。采用 HV-1000B 型维氏硬度计测试复合材料的显微硬度,载荷为0.49N,保载时间 为 5s,测 5 个 点 取 平 均 值。 采 用 BRUKERUMT-2型摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验,对磨材料为 GCr15钢,频率为4Hz,载荷为5N,磨损62高吉成,等:行进速度对搅拌摩擦加工高熵合金增强铝基复合材料组织与性能的影响时间为15 min,往复步长为5 mm。使用 ContourGT-KBruker型三维光学显微镜观察复合材料磨损表面形 貌,测 定 磨 损 体 积,计 算 磨 损 率,计 算 公式为K =VFl(1)式中:K 为磨损率;V 为磨损体积;F 为载荷;l为摩擦行程。
2 试验结果与讨论
2.1 微观形貌
由图3可以看出:当行进速度为45mm·min-1时,高熵合金颗粒在基体中的分布较为均匀,没有出现偏聚现象;随着行进速度的增加,高熵合金颗粒在基体中的分布均匀性变差,当行进速度增至75mm·min-1时,复合材料中出现明显的高熵合金颗粒贫瘠区。在 FSP过程中搅拌针的高速旋转和搅拌作用下,高熵合金颗粒发生破碎,并弥散分布于基体中。当行进速度较高时,FSP时的单位长度上的热输入降低,使得基体金属的塑化不足,无法包裹住高熵合金颗粒;同时行进速度的增加也会缩短高熵合金颗粒与基体金属的混合时间。因此,高熵合金颗粒分布的均匀性随着行进速度的增加而降低。2.2 物相组成由图4可以看出,复合材料中只出现了铝和高熵合金的衍射峰,说明复合材料中未形成新的物相。FeCoNiCrAl高熵合金的熔点高达1350 ℃[13],具有很好的热稳定性;在试验条件下 FSP时的峰值温度远低于该高熵合金的熔点[14],因此其与铝合金基体很难发生化学反应生成新的物相。图3 不同行进速度下FSP制备复合材料的SEM 形貌Fig.3 SEM morphologyofcompositespreparedbyFSPatdifferenttraversespeeds图4 行进速度45mm·min-1下FSP制备复合材料的 XRD谱Fig.4 XRDpatternofcompositepreparedbyFSPattraversespeedof45mm·min-1
2.3 显微硬度
由表 1 可 以 看 出:未 添 加 高 熵 合 金 粉 末 的AA5083铝合金 FSP后的硬度较 FSP前的增大;添加高熵合金粉末 FSP制备复合材料的硬度较 FSP前后铝合金的高,但随着行进速度的增加,复合材料的硬度下降,但降幅不大。FSP过程具有细化晶粒的作用[14],由 Hall-Petch关系可知晶粒细化可以提高材料的硬度,因此 FSP后铝合金的硬度高于 FSP前的;由 Orowan机制可知颗粒的弥散分布可以阻碍位错运动,提高材料的硬度,因此相同行进速度下添加合金颗粒 FSP 制备复合材料的硬度高于铝合金的,但随着行进速度增加,颗粒的分散均匀性下降,因此复合材料的硬度降低。表1 FSP前后 AA5083铝合金及不同行进速度下FSP制备复合材料的显微硬度Table1 Microhardnessof AA5083 aluminum alloy beforeandafterFSPandcompositespreparedbyFSPatdifferenttraversespeeds材料 条件 行进速度/(mm·min-1) 显微硬度/HV未 FSP 78铝合金FSP 45 104FSP 45 158复合材料 FSP 60 145FSP 75 137
2.4 耐磨性能
由图5可以看出:AA5083铝合金基体摩擦因63高吉成,等:行进速度对搅拌摩擦加工高熵合金增强铝基复合材料组织与性能的影响数的波动范围较大,复合材料摩擦因数的波动范围较小,并且随着行进速度的增加,摩擦因数波动范围略微增大。由表2可以看出,复合材料的平均摩擦因数和磨损率均小于 AA5083铝合金的,且随着行进速度的增加,平均摩擦因数和磨损率均增大。这与硬度的变化趋势是相吻合的。图5 AA5083铝合金及不同行进速度下FSP制备复合材料的摩擦因数曲线Fig.5 FrictioncoefficientcurvesofAA5083aluminumalloy(a)andcompositespreparedbyFSPatdifferenttraversespeeds(b-d)表2 AA5083铝合金和不同行进速度下FSP制备复合材料的平均摩擦因数和磨损率Table2 Averagefriction coefficientsand wearratesofAA5083aluminumalloyandcompositespreparedbyFSPatdifferenttraversespeeds材料行进速度/(mm·min-1)摩擦因数磨损率/(10-6 mm3·N-1·m-1)铝合金 0.5844 3.6145 0.4233 1.65复合材料 60 0.4360 1.8975 0.4733 2.33由图6可以看出:AA5083铝合金的磨损表面存在分层现 象 并 出 现 了 大 量 磨 屑,表 现 为 黏 着 磨损特征;不同行进速度下 FSP制备 复 合 材 料 的 磨损表面只出 现 深 度 较 浅 的 磨 痕 和 沟 槽,表 现 为 磨粒磨损特征。这说明复合材料的耐磨性能较铝合金有 所 提 高。当 行 进 速 度 为 45,60 mm·min-1时,复合材料磨损表面没有出现裂纹,行进速度为75mm·min-1 时,复合材料磨损表面出现明显裂纹。高熵合金的添加一方面可以提升复合材料的承载能力,从而提高耐磨性;另一方面增加了位错数量,从而提高了复合材料抵抗塑性变形的能力,并有效抑制裂纹的扩展[11],但这种抑制作用会随着高熵合金颗粒在铝合金基体中分布均匀性的降低而减小。因 此,行 进 速 度 较 高 时 材 料 表 面 出 现明显裂纹。综 上,降 低 行 进 速 度 有 利 于 复 合 材 料耐磨性能的提高。
3 结 论
(1)添加 FeCoNiCrAl高熵合金颗粒制备的复合材料中未形成新的物相,高熵合金颗粒分布于铝合金基体上,起到了增强作用,其显微硬度高于铝合金基体的;随着行进速度的增加,FeCoNiCrAl高熵合金颗粒在铝合金基体中的分布均匀性变差,复合材料的硬度略微降低。(2)复合材料的平均摩擦因数和磨损率均较AA5083铝合金的低,且随着行进速度的增加,摩擦因数和磨损率均增大,耐磨性能下降;复合材料和铝合金的磨损机制分别为磨粒磨损和黏着磨损。复合材料的耐磨性能更好。
来源：材料与测试网
