FSSP及植入颗粒对铜合金表层的改性与机理研究

摘要

FSP（Friction stir processing）采用带有搅拌针的搅拌头扎入到材料内部对材料进行搅拌，使经过搅拌区域的金属发生塑性变形，细化组织，从而实现金属的外层改性，其是现有的一种快速便捷且可实施性强的材料改性方法。但传统的FSP技术存在影响基体内部组织性能，改性层粘附力不强，植入金属颗粒不均匀等不足现象。论文针对FSP存在的不足提出了FSSP（Friction stir surface processing）表层改性技术，采用无搅拌针的搅拌头对材料的表层进行改性，并以铜合金为实验载体，创造性的将SiC、W、Ti、Ni纳米颗粒植入到H62铜合金表面，获得了颗粒分散均匀、体积含量高的颗粒改性层，同时对改性层进行金相组织、硬度、耐磨性和耐腐蚀性等进行分析及相关机理研究。主要工作和取得的成果如下： （1）优化了FSSP制备铜合金改性表层工艺参数 确定出 FSSP 制备 H62 铜合金改性表层的工艺参数范围为：搅拌头转速为800~1200rpm，搅拌头前进速度为80~200mm/min，搅拌头下压量为0.1~0.2mm。并通过性能综合分析获得最优工艺参数为：搅拌头转速为1200rpm，搅拌头前进速度为150mm/min，搅拌头下压量为0.2mm。 （2）确定三种不同FSSP工艺方法对H62铜合金进行表层改性 确定了三种不同FSSP工艺方法，即第1种工艺方法是一次性下压量为⊿=0.2mm；第2种工艺方法是两次同向下压总量为0.2mm（第一次下压量为0.15mm，第二次下压量为0.05mm）；第3种工艺方法是两次逆向下压总量为0.2mm（第一次下压量为0.15mm，第二次下压量为0.05mm）。分别利用这三种工艺方法对H62铜合金进行表层改性，获得相应的改性表层，并对改性表层分别进行了金相组织、硬度、耐磨性及耐腐蚀性分析。 （3）确定三种不同FSSP工艺方法对H62铜合金分别植入SiC、W、Ti和Ni颗粒进行表层改性 利用上述三种工艺方法对H62铜合金分别植入SiC、W、Ti和Ni颗粒进行表层改性，分别获得SiCp/H62、Wp/H62、Tip/H62和Nip/H62铜合金改性表层，并对相应的改性表层进行了金相组织、硬度、耐磨性及耐腐蚀性等分析。 （4）对FSSP制备铜合金改性表层机理进行研究 提出了搅拌头的头部加工纹理是造成弧纹的一个因素，获得飞边形成机理，揭示FSSP改性铜合金表面实质，分析了不同颗粒在不同的FSSP工艺方法改性过程中的分布规律。最后利用EBSD对铜合金改性表层进行测试，显示铜合金改性表层晶粒尺寸在亚微米级，且晶界主要以高角度（≥15°）存在。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 FSP研究现状

1.2.1 FSP的由来

1.2.2 FSP相关研究

1.2.3 FSP存在的不足

1.3 FSSP的提出

1.3.1 FSSP的由来

1.4研究目的、意义和研究内容

1.4.1 目的和意义

1.4.2 主要研究内容

1.5 本章小结

第二章 实验材料、设备与方法

2.1 引言

2.2 实验过程和材料

2.3 实验设备及测试方法

2.3.1 搅拌摩擦表层加工（FSSP）

2.3.2 显微组织结构分析方法

2.3.3 力学性能分析方法

2.4 本章小结

第三章 FSSP铜合金改性表层工艺参数优化

3.1 引言

3.2 FSSP制备铜合金改性表层的实验过程

3.3 FSSP制备铜合金改性表层工艺参数范围确定

3.4 FSSP制备铜合金改性表层工艺参数优化

3.4.1铜合金改性表层宏观形貌分析

3.4.2铜合金改性表层金相组织分析

3.4.3 FSSP制备铜合金改性表层的硬度分析

3.4.4 FSSP制备铜合金改性表层的耐磨性分析

3.4.5 FSSP制备铜合金改性表层的耐腐蚀性分析

3.7 本章小结

第四章 FSSP制备铜合金改性表层工艺分析

4.1 引言

4.2 FSSP制备铜合金改性表层实验过程

4.3 FSSP制备铜合金改性表层微观组织结构

4.3.1 改性层的宏观分析

4.3.2 改性层的金相组织分析

4.4 FSSP制备铜合金改性表层性能分析

4.4.1 硬度分析

4.4.2耐磨性分析

4.4.2.1 磨损量分析

4.4.2.2 摩擦系数分析

4.4.2.3 磨痕分析

4.4.3 耐腐蚀性分析

4.4.3.1 电化学腐蚀的极化曲线分析

4.4.3.2 电化学腐蚀表面形貌分析

4.5 本章小结

第五章 植入SiC颗粒FSSP制备铜合金改性表层

5.1 引言

5.2 植入SiC颗粒FSSP制备铜合金改性表层实验过程

5.3 植入SiC颗粒FSSP制备铜合金改性表层宏/微观组织结构

5.3.1 改性层的宏观分析

5.3.2 改性层的金相组织分析

5.4 FSSP制备SiCp/H62铜合金改性表层性能分析

5.4.1 硬度分析

5.4.2 耐磨性分析

5.4.3 耐腐蚀性分析

5.5与未植入SiCp相比组织性能的变化总体趋势

5.6本章小结

第六章 植入W、Ti和Ni颗粒FSSP制备铜合金改性表层

6.1 引言

6.2 植入W、Ti和Ni颗粒FSSP制备铜合金改性表层实验过程

6.3 植入W颗粒FSSP制备Wp/H62铜合金改性表层

6.3.1 Wp/H62铜合金改性表层微观组织分析

6.3.2 W/H62铜合金改性表层性能分析

6.4 植入Ti颗粒FSSP制备Tip/H62铜合金改性表层

6.4.1 Tip/H62铜合金改性表层微观组织分析

6.4.2 Tip/H62铜合金改性表层性能分析

6.5 植入Ni颗粒FSSP制备Nip/H62铜合金改性表层

6.5.1 Nip/H62铜合金改性表层微观组织分析

6.5.2 Nip/H62铜合金改性表层性能分析

6.6 本章小结

第七章 FSSP制备铜合金改性表层机理研究

7.1 引言

7.2 改性表层弧纹的形成机理

7.2.1 改性表层弧纹宏观形貌及其成因

7.2.2 改性表层弧纹的间距分析

7.2.3 改性表层弧纹的形成过程分析

7.3 改性表层飞边的形成机理

7.3.1 改性表层金属与基材分离准则

7.3.2 改性表层飞边形成过程分析

7.4 植入颗粒FSSP制备铜合金改性表层颗粒行为分析

7.4.1 颗粒弥散过程

7.4.2 改性表层金属塑化流动过程分析

7.5改性层表面形成机理

7.5.1 FSSP制备铜合金改性表层机理分析

7.5.2 植入颗粒FSSP制备铜合金改性表层机理分析

7.6本章小结

第八章 结论与展望

参考文献

致 谢

攻读博士学位期间主要研究成果