搅拌摩擦加工法制备颗粒增强铝基表面复合材料的研究

摘要

铝合金硬度低、耐磨性较差等缺点限制了其在航空、航天、汽车等领域的应用。在铝合金中加入陶瓷颗粒形成铝基复合材料，可明显提高基体耐磨损性能，但不可变形颗粒的加入将使铝基体脆性增加。由于磨损主要发生在铝合金表面，如果仅将陶瓷颗粒加入到铝合金表面形成铝基表面复合材料层，可在提高表面耐磨性同时保持基体本身优良的延展性和韧性。为满足铝合金耐磨损的工作要求，采用搅拌摩擦加工方法在铝合金表面制备颗粒增强复合材料层，具有显著的经济效益。
　　本文分别以纳米ZrO2、Al2O3和AlN颗粒作为增强体，在6061-T6铝合金板表面制备了颗粒增强铝基表面复合层，通过试验法和数值模拟法优化了搅拌头和工艺参数，并对表面复合材料层的微观组织、物相组成、颗粒分布及硬度、耐磨损性能进行了研究。
　　本文研究得到的最优搅拌头为“大轴肩-中搅拌针”型，轴肩和搅拌针直径分别为18mm和6mm，比值为3∶1;最优工艺参数为:旋转速度为900r/min，行进速度为60mm/min，搅拌次数为6。采用该搅拌头和工艺参数制备的表面复合材料层内颗粒体积分数最高，颗粒分布均匀性最好。
　　采用FLUENT软件对6061铝合金的搅拌摩擦加工稳态过程进行数值模拟。模拟结果表明，搅拌头附近温度场分布是非对称的，而速度场分布是对称的，大多数塑性材料从后退侧绕过搅拌头流动，并在局部形成环流;搅拌头形状和尺寸对塑性变形区域的影响显著;随着行进速度减小，旋转速度增加，搅拌次数增多，加工过程的产热量也随之增加;与行进速度相比，旋转速度变化对速度场影响更大。
　　由于发生动态再结晶，表面复合材料层晶粒呈细小等轴晶。Al6061/ZrO2复合材料层内颗粒体积分数最高，颗粒分布均匀性最好;Al6061/AlN复合材料层内颗粒体积分数最低，颗粒分布均匀性最差;Al6061/Al2O3复合材料层内颗粒体积分数及分布均匀性介于两者之间。
　　由于颗粒强化和细晶强化，三种表面复合材料层的硬度均显著高于母材，其中，Al6061/ZrO2复合材料层硬度最高，为母材的2.1倍。
　　由于表面硬度提高和陶瓷颗粒存在，三种表面复合材料层的耐磨性均优于母材。在不同滑动速率下，三种表面复合材料层耐磨性不同:在低滑动速率下，Al6061/ZrO2复合材料层耐磨性最好，磨损量为母材的0.54倍，其次为Al6061/Al2O3复合材料层、Al6061/AlN复合材料层;在高滑动速率下，Al6061/Al2O3复合材料层耐磨性最好，其次为Al6061/AlN复合材料层，Al6061/ZrO2复合材料层耐磨性相对较差。该耐磨性差异与颗粒本身及其复合材料层的导热性有关。
　　搅拌摩擦加工过程中，Al2O3和AlN颗粒不与铝基体发生化学反应;而ZrO2颗粒将与铝基体反应生成Al3Zr和Al2O3，该反应为放热反应，反应分为两个过程:(1)4Al+3ZrO2→2Al2O3+3[Zr]，(2)3Al+[Zr]→Al3Zr，总反应方程式为3Al+13ZrO2→3Al3Zr+2Al2O3。此外，Al-ZrO2体系的原位反应具有反应起始温度低、反应速率快的特点。