張孫藝，周 爽，朱紹舉，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

5083鋁合金由于其優(yōu)良的塑性和耐蝕性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域。工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展對(duì)鋁合金的性能提出越來(lái)越高的要求，而以鋁合金為基體的金屬基復(fù)合材料成為結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的趨勢(shì)之一，目前制備金屬基復(fù)合材料的工藝主要是鑄造和粉末冶金等，這些工藝一般存在著設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。相較于其他工藝，攪拌摩擦加工是一種新型的制備顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)攪拌工具與基體的熱力耦合作用來(lái)細(xì)化晶粒并分散增強(qiáng)相，是一種工藝簡(jiǎn)單、快速高效、綠色環(huán)保的制備技術(shù)。

目前通過(guò)攪拌摩擦加工技術(shù)制備的鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)相主要有碳納米管、陶瓷顆粒和硬質(zhì)合金顆粒等，對(duì)于稀土氧化物作為增強(qiáng)相的研究較少?；诖?，本文以5083鋁合金為基體，以CeO2顆粒為增強(qiáng)相，通過(guò)攪拌摩擦加工技術(shù)制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，研究加工道次對(duì)復(fù)合材料的微觀組織、顯微硬度和耐磨性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)采用4 mm厚5083鋁合金為基體，增強(qiáng)相為CeO2顆粒，其微觀組織如圖1所示。攪拌頭采用H13鋼制作，攪拌針直徑為5 mm，攪拌針長(zhǎng)度為3.5 mm，軸肩直徑為20 mm，加工過(guò)程中旋轉(zhuǎn)速度為900 r/min，行進(jìn)速度為60 mm/min，下壓量為0.1 mm。通過(guò)開(kāi)槽法將CeO2顆粒填充至基體凹槽中壓實(shí)并用無(wú)針攪拌頭進(jìn)行密封處理，通過(guò)攪拌摩擦加工技術(shù)制備復(fù)合材料。

通過(guò)S-4800掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)觀察樣品的微觀組織，通過(guò)HV-1000B顯微硬度計(jì)對(duì)樣品硬度進(jìn)行測(cè)試，載荷為50g，時(shí)間為5 s。通過(guò)BRUKER UTM-2摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的耐磨性能。

圖1 CeO2顆粒SEM圖

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織分析

以3道次加工樣品為例，其橫截面組織如圖2所示。從圖2中可以看出，整個(gè)區(qū)域分為母材、熱影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和加工區(qū)四個(gè)部分，母材為5083鋁合金的原始組織，熱影響區(qū)與母材之間沒(méi)有明顯的區(qū)別，攪拌摩擦加工過(guò)程中熱影響區(qū)僅僅受到熱循環(huán)的作用，相對(duì)于母材，熱影響區(qū)晶粒有長(zhǎng)大的趨勢(shì)；熱機(jī)影響區(qū)除了受到熱循環(huán)的作用，還會(huì)受到攪拌工具的不充分?jǐn)嚢瑁渚ЯＭ鶗?huì)被拉長(zhǎng)；加工區(qū)材料在攪拌針的充分?jǐn)嚢枳饔孟掳l(fā)生劇烈的塑性變形，組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，其晶粒往往是細(xì)小的等軸晶。本文中添加的CeO2增強(qiáng)相黏度較大，在基體中分散程度不如其他的陶瓷顆粒，因此在組織中可以發(fā)現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖2 3道次加工后樣品橫截面組織

圖3為不同加工道次復(fù)合材料的微觀組織。圖3中，白色部分為CeO2顆粒，1道次加工后組織中出現(xiàn)CeO2顆粒聚集現(xiàn)象，且整體分布不均勻；經(jīng)過(guò)5道次加工后，CeO2顆粒聚集現(xiàn)象消失，增強(qiáng)相彌散分布在基體中，顆粒分散較均勻，這往往會(huì)對(duì)基體起到很好的彌散強(qiáng)化效果。攪拌摩擦加工過(guò)程中，CeO2顆粒會(huì)隨著基體金屬在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)和攪拌作用下運(yùn)動(dòng)，在熱力耦合作用下，CeO2顆粒與金屬被攪拌針剪切、擠壓并碎化，增加加工道次一方面可以增加基體與增強(qiáng)相的接觸時(shí)間，使得材料可以充分的混合，從而引起CeO2顆粒的均勻化與碎化。

圖3 不同加工道次復(fù)合材料微觀組織

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，復(fù)合材料的顯微硬度均高于基體的硬度，且隨著加工道次的增加，材料的顯微硬度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。顯微硬度的提高主要源于攪拌摩擦加工過(guò)程中攪拌針的擠壓、碎化效應(yīng)，且這種效應(yīng)隨著加工道次的增加而增強(qiáng)。

2.3 耐磨性能分析

圖5為不同加工道次復(fù)合材料的磨損體積。從圖

5中可以看出，基體的磨損體積最大，隨著加工道次的增加，磨損體積減小，但是3道次和5道次加工后樣品的磨損體積差別不大。添加的CeO2顆粒具有固體潤(rùn)滑作用，在一定程度上可以提高材料的耐磨性能，同時(shí)增加加工道次可以使得CeO2顆粒分散更加均勻，但是3道次和5道次加工后樣品的微觀組織沒(méi)有明顯的變化，從而導(dǎo)致磨損體積的變化較小。

圖4 不同加工道次復(fù)合材料的顯微硬度

圖5 不同加工道次復(fù)合材料的磨損體積

3 結(jié)論

通過(guò)攪拌摩擦加工技術(shù)制備了CeO2顆粒增強(qiáng)5083鋁基復(fù)合材料，CeO2顆粒在基體中分散均勻；隨著加工道次的增加，復(fù)合材料的顯微硬度逐漸升高，5道次加工后的顯微硬度最高；復(fù)合材料的磨損體積均小于基體的磨損體積，3道次加工后的磨損體積最小。