曹鵬飛，郝炳睿，孫振富，張孫藝，高吉成

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

近年來(lái)，隨著節(jié)能減排、綠色環(huán)保理念在車輛工程領(lǐng)域的深入，汽車制造業(yè)對(duì)比強(qiáng)度和可加工性優(yōu)良的鋁合金的需求在不斷增加［1］。但是車輛工業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)鋁合金的性能提出越來(lái)越高的要求，傳統(tǒng)鋁合金材料在硬度和耐磨性等方面已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代汽車工業(yè)的需求，如何在不改變基體性能的同時(shí)提高鋁合金的表面性能成為鋁合金研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，而顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為這一問(wèn)題的解決提供了新的思路。目前，用于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備技術(shù)有攪拌鑄造、粉末冶金和噴射成型等，但是這些技術(shù)往往在高溫下進(jìn)行，顆粒與基體的界面處會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生脆性相，因此尋求新型的制備工藝迫在眉睫。

2003年，Mishra等人基于攪拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）技術(shù)提出了一種用于表面復(fù)合材料制備的新型加工技術(shù)——攪拌摩擦加工（Friction Stir Processing，F(xiàn)SP）［2］。作為一種新型的現(xiàn)代制造技術(shù)，攪拌摩擦加工是一次成型的快速加工技術(shù)，該技術(shù)可以通過(guò)局部的固態(tài)加工實(shí)現(xiàn)材料表面組織的均勻化和致密化；攪拌摩擦加工技術(shù)直接在基體表面進(jìn)行加工，所獲得的表面改性層與基體之間可以實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合；同時(shí)，該技術(shù)在基體材料熔點(diǎn)以下進(jìn)行，工藝簡(jiǎn)單，能耗小，是一種綠色的先進(jìn)制造技術(shù)［3］。目前攪拌摩擦加工技術(shù)已經(jīng)在鋁合金、鎂合金、鈦合金等金屬材料中得到廣泛應(yīng)用，尤其在鋁合金材料中所體現(xiàn)出的快速高效的優(yōu)勢(shì)是其他加工技術(shù)所不能比擬的［4］。高熵合金是由5種以上元素按照等摩爾比或近等摩爾比組成的合金，其特性是所有元素共同作用，在強(qiáng)度、硬度和耐磨性方面具有傳統(tǒng)合金所無(wú)法比擬的優(yōu)異性能［5］。基于此，本文以FeCoNiCrMn高熵合金顆粒為增強(qiáng)相，以5083鋁合金為基體，通過(guò)攪拌摩擦加工技術(shù)制備高熵合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，研究加工道次對(duì)5083鋁基復(fù)合材料微觀組織和顯微硬度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)采用4mm厚5083鋁合金為基體，增強(qiáng)相為FeCoNiCrMn高熵合金顆粒，其微觀組織如圖1所示，平均粒徑約為20μm。采用開(kāi)槽法添加顆粒，首先在5083鋁合金表面加工深度為1.5mm、寬度為2mm的凹槽，將FeCoNiCrMn高熵合金顆粒填充至凹槽并壓實(shí)，用無(wú)針攪拌頭進(jìn)行密封處理，通過(guò)有針攪拌頭進(jìn)行攪拌摩擦加工制備復(fù)合材料，加工道次分別為1、3和5。攪拌頭采用H13鋼制作，軸肩直徑為20mm，攪拌針直徑為5 mm，攪拌針長(zhǎng)度為3.5mm，加工過(guò)程中旋轉(zhuǎn)速度為1 000r／min，行進(jìn)速度為60mm／min，下壓量為0.1mm。

圖1 FeCoNiCrMn高熵合金SEM圖

通過(guò)S-4800掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對(duì)樣品的微觀組織進(jìn)行分析，通過(guò)能譜儀（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS）對(duì)樣品化學(xué)成分進(jìn)行分析，通過(guò)HV-1000B顯微硬度計(jì)對(duì)復(fù)合材料硬度進(jìn)行測(cè)試，載荷為50g，時(shí)間為5s，5次測(cè)量取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織分析

圖2為不同加工道次復(fù)合材料攪拌區(qū)的微觀組織。1道次加工后，組織中存在大的顆粒，如圖2（a）所示，其EDS分析如圖3所示，其中白色顆粒為高熵合金。隨著加工道次的增加，組織中FeCoNiCrMn高熵合金增強(qiáng)相明顯碎化，且分布更加均勻，如圖2（b）和圖2（c）所示。這主要源于兩方面的原因：一方面，攪拌摩擦加工過(guò)程中，F(xiàn)eCoNiCrMn高熵合金顆粒被5083鋁合金基體包裹并在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)和攪拌作用下隨著基體金屬一起流動(dòng)，由于FeCoNiCrMn高熵合金與5083鋁合金基體性能上的差異，使得粒子很難在基體中均勻分散，因此需要多道加工才能使得組織均勻化，同時(shí)，隨著加工道次的增加，材料的流動(dòng)能力和混合能力得到提升，且材料的遷移距離也大幅度增加；另一方面，攪拌摩擦加工是一種復(fù)雜的加工過(guò)程，該過(guò)程中同時(shí)存在幾何動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶三種結(jié)晶機(jī)制，隨著加工道次的增加，材料的流動(dòng)應(yīng)變率提高，從而使得組織更加細(xì)化。

圖2 不同加工道次復(fù)合材料攪拌區(qū)微觀組織

圖3 復(fù)合材料EDS分析

2.2 顯微硬度分析

圖4 為不同加工道次復(fù)合材料的顯微硬度。從圖4中可以看出：基體的顯微硬度較低，僅有HV65，添加FeCoNiCrMn高熵合金顆粒后，復(fù)合層的顯微硬度得到明顯提升，1道次加工的顯微硬度值達(dá)到HV84，較基體提升了29%；隨著加工道次的增加，顯微硬度進(jìn)一步提升，3道次加工后的顯微硬度值為HV108，較基體提升了66%；5道次加工后，復(fù)合層的顯微硬度達(dá)到116HV，較基體提升了79%。分析認(rèn)為，顯微硬度的提升源于攪拌摩擦加工過(guò)程中顯微組織的細(xì)化和第二相強(qiáng)化。一方面，攪拌摩擦加工過(guò)程中，鋁合金基體與攪拌頭的相互作用產(chǎn)生大量的摩擦熱，在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)擠壓和FeCoNiCrMn高熵合金顆粒的阻礙下，晶粒長(zhǎng)大過(guò)程受到阻礙，晶粒細(xì)化且位錯(cuò)能大量積累，材料抵抗塑性變形的能力得到提升，隨著攪拌摩擦加工道次的增加，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的晶粒會(huì)進(jìn)一步細(xì)化，使得復(fù)合材料的顯微硬度得到進(jìn)一步提升；另一方面，F(xiàn)eCoNiCrMn高熵合金顆粒添加后，隨著攪拌摩擦加工過(guò)程分散在5083鋁合金基體中，且隨著加工道次增加分散的更加均勻，第二相硬質(zhì)顆粒的加入也可以使得材料的顯微硬度得到提升。

圖4 不同加工道次復(fù)合材料的顯微硬度

3 結(jié)論

通過(guò)攪拌摩擦加工技術(shù)制備了FeCoNiCrMn高熵合金顆粒增強(qiáng)5083鋁基復(fù)合材料，并研究了加工道次對(duì)復(fù)合材料微觀組織和顯微硬度的影響，結(jié)論如下：

（1）1道～5道次內(nèi)，隨著加工道次的增加，F(xiàn)eCoNiCrMn高熵合金顆粒在5083基體中分散更加均勻，團(tuán)聚現(xiàn)象減少。

（2）添加FeCoNiCrMn高熵合金顆粒后，復(fù)合材料的顯微硬度得到大幅度提升，最高硬度值為基體的1.79倍。

（3）攪拌摩擦加工技術(shù)在鋁基復(fù)合材料制備中有著巨大的應(yīng)用前景。