攪拌摩擦加工對Al2O3/B4C/Al復合材料室溫及高溫力學性能的影響

昝宇寧，曾祥浩，畢勝，王全兆，肖伯律，馬宗義

（1. 中國科學院金屬研究所，沈陽 110016；2. 中國科學技術大學，沈陽 110016）

材料與成形性能

攪拌摩擦加工對Al2O3/B4C/Al復合材料室溫及高溫力學性能的影響

昝宇寧1,2，曾祥浩1，畢勝1,2，王全兆1，肖伯律1，馬宗義1

（1. 中國科學院金屬研究所，沈陽 110016；2. 中國科學技術大學，沈陽 110016）

目的 研究攪拌摩擦加工對 Al2O3/B4C/Al復合材料力學性能的影響。方法 將球形鋁粉球磨成片狀后氧化，并向其中混入質量分數為10%的碳化硼顆粒，熱壓成形后鍛壓，對鍛餅進行一道次的攪拌摩擦加工，研究攪拌摩擦加工后復合材料的室溫與高溫力學性能。結果 通過攪拌摩擦加工能顯著提高材料室溫強度，但與鍛壓態材料相比，材料高溫強度降低。結論 晶界處氧化鋁對材料高溫性能有重要影響，攪拌摩擦加工使晶界處氧化鋁破碎并進入晶粒內部，提高了室溫強度，但不利于提高高溫性能。

鋁基復合材料；粉末冶金；攪拌摩擦加工；力學性能

乏燃料是使用后的核燃料，具有較高放射性[1]。世界大多數國家對乏燃料進行長期貯存以備未來進行回收利用[2]，在此過程中需要含硼的中子吸收材料。目前在建的第三代核電站大多數采用濕法貯存，以碳化硼增強鋁(B4C/Al)復合材料作為中子吸收材料。為進一步提高安全性，干式貯運技術將成為未來乏燃料貯運的主流技術，發展新一代具有高溫強度的結構功能一體化的 B4C/Al復合材料是干式貯存技術的基礎。

20世紀50年代的燒結鋁工藝有望應用于制備耐高溫 B4C/Al復合材料。該工藝通過將鋁粉機械研磨成片狀，經熱壓燒結，利用表面原位生成的氧化鋁提高材料的高溫強度，然而片狀鋁粉表面氧化鋁膜會阻礙變形過程，而且尺寸較大，對材料室溫性能產生不利影響。常規的塑性變形加工方法難以破碎這層氧化物，難以改變氧化物的形態與分布，因此很少有研究對氧化鋁的形態和分布與室溫和高溫性能的關系進行探討，導致復合材料的制備工藝優化缺乏依據，難以改善材料的塑性以及加工性能。攪拌摩擦加工(FSP)作為一種劇烈塑性變形過程，在顯著改善冶金結合的同時，可以破碎第二相并有效調控其分布[3]，然而迄今為止，尚未見關于FSP對原位氧化鋁增強鋁復合材料性能影響的研究報道。文中研究了不同參數 FSP加工后，得到的硼鋁復合材料的室溫以及高溫力學性能，探討了FSP前后不同形狀、分布狀態的氧化鋁的增強作用，以期對結構功能一體化的中子吸收材料的制備提供指導依據。

1 材料及方法

使用純度為99%、平均粒徑為5 μm的工業純鋁粉和純度為96.5%、平均粒徑為6.5 μm的B4C顆粒作為原料。將鋁粉置于攪拌式球磨機內，加入質量分數為3%的硬脂酸作為過程控制劑以防止冷焊，在300 r/min的主軸轉速下球磨3 h，球料比為15︰1。將球磨后得到的片狀鋁粉置于空氣爐中，在400 ℃下預氧化2 h，增厚氧化膜并除去硬脂酸，冷卻后向其中均勻混合入質量分數為 10%的 B4C顆粒，得到的混合粉末形貌見圖1。取500 g混合粉末，依次進行冷壓和真空熱壓（熱壓溫度為630 ℃，壓強為40 MPa），獲得 Al2O3/B4C/Al復合材料坯錠。將坯錠分別在480 ℃下進行鍛壓，變形比為3︰1，選取部分鍛餅沿直徑方向進行一道次FSP加工。

圖1 Al2O3/B4C/Al混合粉末形貌Fig.1 Morphology of Al2O3/B4C/Al composite powder

FSP工具采用硬質合金制造的軸肩與錐形螺紋針，軸肩直徑為14 mm，攪拌針長2.8 mm，根部直徑為5 mm，工具傾斜角為3°，壓下量為0.65 mm，行進速度為 100 mm/min，轉速分別為 800和1200 r/min。

從鍛餅和FSP加工區取樣進行力學性能測試。鍛態樣品沿鍛餅徑向取樣，記為F，FSP樣品沿工具行進方向在焊核區取樣，試樣軸線與加工方向平行，樣品分別記為800-100和1200-100。在Instron 5848拉伸機上測試樣品室溫和高溫(375 ℃)下的拉伸性能，拉伸速度為10?3s?1。拉斷后的樣品在掃描電子顯微鏡(Quanta 600和Leo Supra 55)上觀察斷口。平行于鍛壓方向，垂直于FSP加工方向切取金相試樣，經機械拋光后進行觀察。利用 X射線衍射(XRD)分析復合材料物相組成，并用Jade 6軟件分析其晶粒尺寸。

2 結果及分析

2.1 微觀組織

鍛餅和經過FSP加工后的樣品XRD圖譜見圖2，可見3個樣品中除鋁外主要物相為B4C和Al2O3，另有少量Al3BC，是B4C與鋁基體的界面反應產物[4]。3個衍射圖譜無明顯差異。利用Scherrer公式在Jade 6軟件中計算垂直于各晶面的晶粒粒徑（包含亞晶），計算結果見于表1。垂直于(111)和(200)晶面晶粒計算結果大于 100 nm，不適合用謝樂公式計算，在此不做討論。通過對比分析垂直于(220), (311)和(222)晶面晶粒，經過一道次的FSP過程，晶粒度基本未發生變化。由文獻[5—6]可知，鋁粉表面的原位氧化鋁分布在晶界，可以對晶粒進行有效的釘扎，即使經過高達接近熔點溫度的長時間退火處理，晶粒也很難長大，具有較高的熱穩定性，故晶粒可以保持較細的狀態。如果氧化鋁經塑性變形進入晶內，可能會誘導亞晶界形成，使晶粒進一步細化。

圖2 Al2O3/B4C/Al復合材料XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of Al2O3/B4C/Al composites

表1 Al2O3/B4C/Al復合材料垂直于各晶面晶粒粒徑Tab.1 Grain sizes perpendicular to different lattice planes of Al2O3/B4C/Al composites nm

樣品F、800-100和1200-100的光學顯微組織見圖3。可以清楚看到，在鍛壓態樣品中氧化鋁呈片狀分布于鋁基體中，在鍛壓作用下略有斷開。碳化硼顆粒分布于鋁粉片之間，復合材料中未見孔洞、顆粒團聚等缺陷。經過兩種不同參數的一道次 FSP加工后，復合材料微觀組織發生了顯著的變化。可以看到，兩個轉速下FSP樣品的組織區別不大，但與鍛壓態樣品明顯不同的是，片層狀氧化鋁在劇烈的塑性變形中被打碎成黑色細顆粒狀，彌散地分布于基體之中。另外，大部分鍛壓態樣品中存在的某些較大長徑比的碳化硼顆粒已經在 FSP工具的機械攪拌作用下破碎成為更接近等軸狀的顆粒，分布更加均勻，且1200 r/min轉速下樣品中顆粒尺寸略小于800 r/min轉速下的樣品。

圖3 Al2O3/B4C/Al復合材料微觀組織Fig.3 Microstructure of Al2O3/B4C/Al composites

2.2 室溫拉伸結果

分別對3種樣品在室溫下進行拉伸試驗，得到的工程應力-應變曲線見圖4，樣品F的屈服強度為(199±6) MPa，伸長率為0.5%，樣品F、800-100和1200-100的抗拉強度分別為(215±8), (331±12), (356±14) MPa。可見，室溫下鍛態態材料強度遠低于FSP樣品，但伸長率略高。室溫拉伸樣品的斷口見圖5，可見，鍛態材料拉斷后形成的韌窩與撕裂棱呈長條狀，與金相組織所觀察到的層狀組織一致。由于熱壓前鋁粉為片狀，且其表面有較多的原位氧化鋁，在熱壓燒結以及鍛壓過程中氧化物不易破碎，所以形成氧化鋁與鋁粉末片層結構。在拉伸過程中，鋁基體的變形受到片狀氧化物約束，氧化鋁與鋁基體之間無法同步變形，導致在片層界面區域產生應力集中，在變形初期即產生孔洞并開裂。拉伸斷口中存在較多的二次裂紋，證實了片狀氧化鋁與基體結合處為材料的薄弱環節，片狀鋁粉表面原位生成的氧化鋁膜對變形產生較大的阻礙作用，降低了該樣品室溫力學性能。

圖4 Al2O3/B4C/Al復合材料室溫拉伸曲線Fig.4 Tensile curves ofAl2O3/B4C/Al composites at room temperature

圖5 Al2O3/B4C/Al復合材料樣品F室溫拉伸斷口形貌Fig.5 Fractographs of Al2O3/B4C/Al composites at room temperature

FSP樣品斷口照片見圖6。與鍛壓得到的樣品不同，在 FSP過程中材料發生劇烈的塑性變形，材料中的片狀分層結構已經消失，并且幾乎看不到鍛態樣品中的二次裂紋。可以推知氧化鋁片狀結構的破碎可以使拉伸過程變形更協調，避免鍛態材料樣品中氧化鋁處應力集中導致的裂紋過早萌生。通過觀察倍數較高的圖6c和6d，可以發現斷口中存在較為平整的碳化硼顆粒，這說明碳化硼顆粒在 FSP中發生破碎，并與基體形成良好結合[7]。在拉伸過程中，碳化硼顆粒發生斷裂，說明載荷傳遞強化的作用得以更充分體現，有利于提高室溫強度。同時，在800-100樣品中，仍發現少量碳化硼顆粒脫粘現象，而在1200-100樣品中，該現象基本消失不見，這歸因于高轉速下FSP過程使材料內部結構更加均勻，變形過程中基體中應力更充分地通過切應力傳遞給顆粒，而破碎的顆粒尺寸更細小，因此界面附近基體的開裂傾向變小，也更有利于其載荷傳遞作用的發揮。由于過多的納米氧化鋁彌散分布在晶界以及晶粒內部，使材料缺乏塑性變形能力，故伸長率降低。

圖6 Al2O3/B4C/Al復合材料FSP樣品室溫拉伸斷口形貌Fig.6 Fractographs of Al2O3/B4C/Al composites at room temperature

復合材料強化機制主要包括細晶強化、載荷傳遞強化和Orowan強化，考慮復合材料的協同增強效應，復合材料的室溫強度可以用式(1)預測[8]：

式中：σys為復合材料屈服強度；σym為無增強相單一基體材料屈服強度，σym可以由 Hall-Petch關系（見式(2)）表示[9]；f1為與載荷傳遞強化有關的強化因子，f1可以表示為[10]f1=0.5Vp，VP為增強相體積分數；fOrowan為與 Orowan強化機制有關的強化因子，fOrowan表示見式(3)[11]。

式中：σ0為晶格摩擦力；KHP為Hall-Petch斜率；D為平均晶粒尺寸，晶粒越細，位錯開動需要的切應力越大，材料強度越高；Gm為剪切模量；b為柏氏矢量；dp為增強相直徑；r=dp/2。

由晶粒尺寸分析可知，經過一道次的 FSP加工后，晶粒大小未發生明顯變化。通過載荷傳遞強化分析，雖然3種材料使用的增強相體積分數相同，但通過斷口觀察到的氧化鋁與碳化硼附近的二次裂紋可以知道，鍛壓態材料中片狀氧化鋁和碳化硼顆粒并未充分發揮載荷傳遞作用。Orowan強化的貢獻主要來源于原位生成的納米尺度氧化鋁。由于Orowan強化機制的根本原因在于晶粒內部彌散相對位錯移動的阻礙，而在鍛壓態材料中，氧化鋁主要分布于晶界上，故很難發揮其阻礙位錯的作用[12]。通過 FSP過程中劇烈的變形，使氧化鋁發生破碎，一部分氧化鋁進入晶界的同時，也使式(3)中彌散相半徑dp減小，提高增強效率，所以FSP可以提高復合材料室溫強度，而1200-100樣品在高轉速下氧化物顆粒破碎更明顯，由Orowan機制帶來的強化作用更明顯，因此材料強度更高。

2.3 高溫拉伸結果

高溫(375 ℃)拉伸結果見圖7，相應結果列于表2。分析實驗所得數據可知，鍛壓態樣品在高溫下仍能保持較高的強度，達到98 MPa，由于高溫下滑移更容易發生，伸長率也較室溫有所提升。雖然FSP后樣品的室溫強度與鍛壓態相比有大幅度提升，其高溫強度卻低于鍛壓態樣品。樣品800-100拉伸強度降低到75 MPa，而樣品1200-100拉伸強度下降到了64 MPa，所以通過攪拌摩擦加工，雖能較大程度提高材料的室溫強度，但會造成高溫強度降低。

圖7 Al2O3/B4C/Al復合材料375 ℃拉伸數據Fig.7 Tensile results of Al2O3/B4C/Al composites at 375 ℃

表2 Al2O3/B4C/Al復合材料375 ℃拉伸性能Tab.2 Mechanical properties of Al2O3/B4C/Al composites at 375 ℃

在室溫下，材料晶界的強度高于晶粒內部的強度，所以晶粒越細，晶界越多，材料強度越高。隨著溫度的升高，晶界強度下降的速度要高于晶粒內部，所以在高于等強溫度時，晶界反而成為材料強度的弱化因素。由文獻[13]可知，高溫下，晶界強度降低，變形由晶界滑移產生，所以需通過釘扎晶界增強高溫強度。片狀鋁粉表面原位生成的氧化鋁主要分布在晶界[14]，在高溫拉伸變形過程中能有效釘扎晶界，阻礙晶界滑動，所以燒結鋁工藝能顯著提供材料高溫力學性能。

據此分析，在FSP過程中，攪拌工具帶動材料發生劇烈流動，被打碎并彌散開的納米氧化鋁一部分會由于變形作用脫離晶界，進入晶粒內部，使氧化鋁對晶界的釘扎作用減弱，而初始氧化鋁較大徑長比的片狀結構被破壞，也會降低其釘扎晶界的效率[15—16]，這都會造成FSP樣品的高溫強度較低，且轉速越高，材料高溫強度越低。雖然在鍛態材料中，鋁粉上氧化鋁膜隨基體變形開裂，但仍分布于晶界之上，在高溫下會對晶界進行釘扎，所以可以較大程度提高材料高溫性能。

3 結論

1) 片狀氧化鋁膜會在變形過程中造成變形不協調，產生應力集中，使材料中氧化鋁與碳化硼顆粒不能完全發揮增強作用，復合材料室溫拉伸強度較低。

2) 通過一道次的 FSP，可以破碎氧化鋁膜，使變形過程更協調，減少應力集中，更能充分發揮片狀氧化鋁與碳化硼的載荷傳遞作用，使材料室溫強度從215 MPa提高到356 MPa。

3) 在高溫下，由于FSP樣品中氧化鋁破碎甚至脫離晶界，使其釘扎晶界的作用降低，高溫下晶界更易滑移，強度下降，而且轉速越高，材料高溫強度越低。

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Influences of Friction Stir Processing on Mechanical Properties of Al2O3/B4C/Al Composite

ZAN Yu-ning1,2,ZENG Xiang-hao1,BI Sheng1,2,WANG Quan-zhao1,XIAO Bo-lv1,MA Zong-yi1
(1. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;2. University of Science and Technology of China, Shenyang 110016, China)

The paper aims to study influences of friction stir processing (FSP) on mechanical properties of Al2O3/B4C/Al composite. Al powder was ball-milled into flake powder and oxidized, then mixed with 10wt.% B4Cparticles. The mixed powder was hot pressed, followed by being forged and FSPed. Mechanical properties at both high temperature and room temperature were tested. Compared with the forged samples, strength at room temperature of the FSP specimens was higher, whereas tensile strength of FSP did not increase at 375 ℃. Al2O3on grain boundary had significant effect on tensile properties at high temperature. FSP breaks up Al2O3layers and disperses Al2O3into grains, leading to weak pinning effect on grain boundaries. As a result, high temperature strength creases, but it is unfavorable to improving the high temperature performance.

aluminum matrix composite; powder metallurgy; friction stir processing; mechanical properties

2017-12-13

國家重點研發計劃（2017YFB0703100）；國家自然科學基金委員會-遼寧省人民政府聯合基金（U1508216）

昝宇寧（1992—），男，在讀博士，主要研究方向為金屬基復合材料及攪拌摩擦焊接。

王全兆（1980—），男，博士，副研究員，主要研究方向為金屬基復合材料。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.014

TG453+.9

A

1674-6457(2018)01-0116-06