行進速度對攪拌摩擦加工高熵合金增強鋁基復合材料組織與性能的影響

高吉成，顧 淦，仲 尚，董嘉辰，張孫藝

(揚州大學機械工程學院，揚州 225127)

0 引 言

航空航天工業的迅速發展對鋁合金的性能，特別是硬度和耐磨性能提出了更高的要求；在鋁合金中添加增強相顆粒制備的復合材料能滿足這一要求。目前顆粒增強鋁基復合材料的制備技術主要包括粉末冶金和鑄造等，由于這些工藝通常在高溫下進行，高溫下增強相顆粒會與基體發生化學反應生成對復合材料性能有害的相[1]，同時還存在顆粒相分布不均的問題，因此新型制備技術的開發顯得非常重要。

攪拌摩擦加工(FSP)技術是一種高效、綠色環保的加工方法，目前主要應用于材料表面改性以及超塑性材料和復合材料的制備[2]。FSP技術可以通過預先開槽或打孔的方式在基體材料表面植入增強相，利用攪拌工具的強烈攪拌作用使加工區域產生劇烈的塑性變形，從而在不改變基體結構和性能的條件下制備得到復合材料層[3-4]。高熵合金是指由5種或5種以上原子分數在5%～35%的元素組成的合金，由于其組織是固溶體而不是金屬間化合物，因此具有良好的塑性[5-7]；同時，高熵合金中大量不同原子半徑的元素產生的嚴重晶格畸變使合金表現出較高的強度和硬度。研究表明，在鋁合金中添加高熵合金顆粒可以提高鋁合金的力學性能[8-12]。AA5083鋁合金因具有優異的耐腐蝕性能、良好的焊接性能以及較高的強度而廣泛應用于航空航天領域。開展高熵合金顆粒增強AA5083鋁基復合材料的研究對擴大AA5083鋁合金的應用范圍具有重要作用。目前針對高熵合金顆粒增強AA5083鋁基復合材料的研究較少。作者以AA5083鋁合金為基體，以FeCoNiCrAl高熵合金顆粒為增強相，通過FSP技術制備了高熵合金顆粒增強鋁基復合材料，研究了FSP過程中行進速度對復合材料中合金顆粒分布、顯微硬度和耐磨性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

基體材料為AA5083鋁合金，由呂辰金屬材料有限公司提供，尺寸為200 mm×200 mm×5 mm；增強相材料為FeCoNiCrAl高熵合金粉末，由江蘇威拉里新材料科技有限公司提供，其微觀形貌及微區成分見圖1。

圖1 FeCoNiCrAl高熵合金粉末的微觀形貌和微區成分Fig.1 Micromorphology (a) and micro-area composition (b) of FeCoNiCrAl high-entropy alloy powder

采用線切割法在AA5083鋁合金試樣表面加工出用于填充高熵合金粉末的凹槽，凹槽寬度為2 mm，深度為1.5 mm。清洗凹槽，將高熵合金粉末填充于凹槽中并壓實，采用XK7140型數控銑床設備通過無針攪拌頭進行密封處理，以防止后期加工過程中高熵合金粉末溢出，然后使用帶針攪拌頭制備高熵合金增強AA5083鋁基復合材料。整個FSP過程如圖2所示。攪拌頭采用H13鋼制作，攪拌針為圓柱形，直徑為4 mm，長度為3.5 mm，軸肩直徑為20 mm。FSP時攪拌頭轉速為1 200 r·min-1，行進速度為45，60，75 mm·min-1，加工道次為5道次，每道次加工完成后，在保持攪拌頭旋轉方向不變的情況下從末端反方向加工。

圖2 FSP過程示意Fig.2 Diagram for FSP processing

采用S4800型和Zeiss_Supra55型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復合材料橫截面微觀形貌。采用D8 Advance型多晶X射線衍射儀(XRD)分析復合材料的物相組成。采用HV-1000B型維氏硬度計測試復合材料的顯微硬度，載荷為0.49 N，保載時間為5 s，測5個點取平均值。采用BRUKER UMT-2型摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，對磨材料為GCr15鋼，頻率為4 Hz，載荷為5 N，磨損時間為15 min，往復步長為5 mm。使用Contour GT-K Bruker型三維光學顯微鏡觀察復合材料磨損表面形貌，測定磨損體積，計算磨損率，計算公式為

(1)

式中：K為磨損率；V為磨損體積；F為載荷；l為摩擦行程。

2 試驗結果與討論

2.1 微觀形貌

由圖3可以看出：當行進速度為45 mm·min-1時，高熵合金顆粒在基體中的分布較為均勻，沒有出現偏聚現象；隨著行進速度的增加，高熵合金顆粒在基體中的分布均勻性變差，當行進速度增至75 mm·min-1時，復合材料中出現明顯的高熵合金顆粒貧瘠區。在FSP過程中攪拌針的高速旋轉和攪拌作用下，高熵合金顆粒發生破碎，并彌散分布于基體中。當行進速度較高時，FSP時的單位長度上的熱輸入降低，使得基體金屬的塑化不足，無法包裹住高熵合金顆粒；同時行進速度的增加也會縮短高熵合金顆粒與基體金屬的混合時間。因此，高熵合金顆粒分布的均勻性隨著行進速度的增加而降低。

圖3 不同行進速度下FSP制備復合材料的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of composites prepared by FSP at different traverse speeds

2.2 物相組成

由圖4可以看出，復合材料中只出現了鋁和高熵合金的衍射峰，說明復合材料中未形成新的物相。FeCoNiCrAl高熵合金的熔點高達1 350 ℃[13]，具有很好的熱穩定性；在試驗條件下FSP時的峰值溫度遠低于該高熵合金的熔點[14]，因此其與鋁合金基體很難發生化學反應生成新的物相。

圖4 行進速度45 mm·min-1下FSP制備復合材料的XRD譜Fig.4 XRD pattern of composite prepared by FSP at traverse speed of 45 mm·min-1

2.3 顯微硬度

由表1可以看出：未添加高熵合金粉末的AA5083鋁合金FSP后的硬度較FSP前的增大；添加高熵合金粉末FSP制備復合材料的硬度較FSP前后鋁合金的高，但隨著行進速度的增加，復合材料的硬度下降，但降幅不大。FSP過程具有細化晶粒的作用[14]，由Hall-Petch關系可知晶粒細化可以提高材料的硬度，因此FSP后鋁合金的硬度高于FSP前的；由Orowan機制可知顆粒的彌散分布可以阻礙位錯運動，提高材料的硬度，因此相同行進速度下添加合金顆粒FSP制備復合材料的硬度高于鋁合金的，但隨著行進速度增加，顆粒的分散均勻性下降，因此復合材料的硬度降低。

表1 FSP前后AA5083鋁合金及不同行進速度下FSP制備復合材料的顯微硬度

2.4 耐磨性能

由圖5可以看出：AA5083鋁合金基體摩擦因數的波動范圍較大，復合材料摩擦因數的波動范圍較小，并且隨著行進速度的增加，摩擦因數波動范圍略微增大。由表2可以看出，復合材料的平均摩擦因數和磨損率均小于AA5083鋁合金的，且隨著行進速度的增加，平均摩擦因數和磨損率均增大。這與硬度的變化趨勢是相吻合的。

圖5 AA5083鋁合金及不同行進速度下FSP制備復合材料的摩擦因數曲線Fig.5 Friction coefficient curves of AA5083 aluminum alloy (a) and composites prepared byFSP at different traverse speeds (b-d)

表2 AA5083鋁合金和不同行進速度下FSP制備復合材料的平均摩擦因數和磨損率

由圖6可以看出：AA5083鋁合金的磨損表面存在分層現象并出現了大量磨屑，表現為黏著磨損特征；不同行進速度下FSP制備復合材料的磨損表面只出現深度較淺的磨痕和溝槽，表現為磨粒磨損特征。這說明復合材料的耐磨性能較鋁合金有所提高。當行進速度為45，60 mm·min-1時，復合材料磨損表面沒有出現裂紋，行進速度為75 mm·min-1時，復合材料磨損表面出現明顯裂紋。高熵合金的添加一方面可以提升復合材料的承載能力，從而提高耐磨性；另一方面增加了位錯數量，從而提高了復合材料抵抗塑性變形的能力，并有效抑制裂紋的擴展[11]，但這種抑制作用會隨著高熵合金顆粒在鋁合金基體中分布均勻性的降低而減小。因此，行進速度較高時材料表面出現明顯裂紋。綜上，降低行進速度有利于復合材料耐磨性能的提高。

圖6 AA5083鋁合金和不同行進速度下FSP制備復合材料的磨損形貌Fig.6 Wear morphology of AA5083 aluminum alloy (a) and composites prepared by FSP at different traverse speeds (b-d)

3 結 論

(1) 添加FeCoNiCrAl高熵合金顆粒制備的復合材料中未形成新的物相，高熵合金顆粒分布于鋁合金基體上，起到了增強作用，其顯微硬度高于鋁合金基體的；隨著行進速度的增加，FeCoNiCrAl高熵合金顆粒在鋁合金基體中的分布均勻性變差，復合材料的硬度略微降低。

(2) 復合材料的平均摩擦因數和磨損率均較AA5083鋁合金的低，且隨著行進速度的增加，摩擦因數和磨損率均增大，耐磨性能下降；復合材料和鋁合金的磨損機制分別為磨粒磨損和黏著磨損。復合材料的耐磨性能更好。