高吉成，顧 淦，仲 尚，董嘉辰，張孫藝

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

0 引 言

航空航天工業(yè)的迅速發(fā)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(qiáng)相顆粒制備的復(fù)合材料能滿足這一要求。目前顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備技術(shù)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(jìn)行，高溫下增強(qiáng)相顆粒會與基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成對復(fù)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(shù)的開發(fā)顯得非常重要。

攪拌摩擦加工(FSP)技術(shù)是一種高效、綠色環(huán)保的加工方法，目前主要應(yīng)用于材料表面改性以及超塑性材料和復(fù)合材料的制備[2]。FSP技術(shù)可以通過預(yù)先開槽或打孔的方式在基體材料表面植入增強(qiáng)相，利用攪拌工具的強(qiáng)烈攪拌作用使加工區(qū)域產(chǎn)生劇烈的塑性變形，從而在不改變基體結(jié)構(gòu)和性能的條件下制備得到復(fù)合材料層[3-4]。高熵合金是指由5種或5種以上原子分?jǐn)?shù)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(chǎn)生的嚴(yán)重晶格畸變使合金表現(xiàn)出較高的強(qiáng)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(xué)性能[8-12]。AA5083鋁合金因具有優(yōu)異的耐腐蝕性能、良好的焊接性能以及較高的強(qiáng)度而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。開展高熵合金顆粒增強(qiáng)AA5083鋁基復(fù)合材料的研究對擴(kuò)大AA5083鋁合金的應(yīng)用范圍具有重要作用。目前針對高熵合金顆粒增強(qiáng)AA5083鋁基復(fù)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(qiáng)相，通過FSP技術(shù)制備了高熵合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，研究了FSP過程中行進(jìn)速度對復(fù)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(qiáng)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(qū)成分見圖1。

圖1 FeCoNiCrAl高熵合金粉末的微觀形貌和微區(qū)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(shù)控銑床設(shè)備通過無針攪拌頭進(jìn)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(qiáng)AA5083鋁基復(fù)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(zhuǎn)速為1 200 r·min-1，行進(jìn)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?jǐn)嚢桀^旋轉(zhuǎn)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(fù)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(fù)合材料的物相組成。采用HV-1000B型維氏硬度計測試復(fù)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(diǎn)取平均值。采用BRUKER UMT-2型摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)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(fù)步長為5 mm。使用Contour GT-K Bruker型三維光學(xué)顯微鏡觀察復(fù)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(jié)果與討論

2.1 微觀形貌

由圖3可以看出：當(dāng)行進(jìn)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(xiàn)偏聚現(xiàn)象；隨著行進(jìn)速度的增加，高熵合金顆粒在基體中的分布均勻性變差，當(dāng)行進(jìn)速度增至75 mm·min-1時，復(fù)合材料中出現(xiàn)明顯的高熵合金顆粒貧瘠區(qū)。在FSP過程中攪拌針的高速旋轉(zhuǎn)和攪拌作用下，高熵合金顆粒發(fā)生破碎，并彌散分布于基體中。當(dāng)行進(jìn)速度較高時，F(xiàn)SP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(jìn)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(jìn)速度的增加而降低。

圖3 不同行進(jìn)速度下FSP制備復(fù)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(fù)合材料中只出現(xiàn)了鋁和高熵合金的衍射峰，說明復(fù)合材料中未形成新的物相。FeCoNiCrAl高熵合金的熔點(diǎn)高達(dá)1 350 ℃[13]，具有很好的熱穩(wěn)定性；在試驗條件下FSP時的峰值溫度遠(yuǎn)低于該高熵合金的熔點(diǎn)[14]，因此其與鋁合金基體很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的物相。

圖4 行進(jìn)速度45 mm·min-1下FSP制備復(fù)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(fù)合材料的硬度較FSP前后鋁合金的高，但隨著行進(jìn)速度的增加，復(fù)合材料的硬度下降，但降幅不大。FSP過程具有細(xì)化晶粒的作用[14]，由Hall-Petch關(guān)系可知晶粒細(xì)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(jī)制可知顆粒的彌散分布可以阻礙位錯運(yùn)動，提高材料的硬度，因此相同行進(jìn)速度下添加合金顆粒FSP制備復(fù)合材料的硬度高于鋁合金的，但隨著行進(jìn)速度增加，顆粒的分散均勻性下降，因此復(fù)合材料的硬度降低。

表1 FSP前后AA5083鋁合金及不同行進(jìn)速度下FSP制備復(fù)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(shù)的波動范圍較大，復(fù)合材料摩擦因數(shù)的波動范圍較小，并且隨著行進(jìn)速度的增加，摩擦因數(shù)波動范圍略微增大。由表2可以看出，復(fù)合材料的平均摩擦因數(shù)和磨損率均小于AA5083鋁合金的，且隨著行進(jìn)速度的增加，平均摩擦因數(shù)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(jìn)速度下FSP制備復(fù)合材料的摩擦因數(shù)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(jìn)速度下FSP制備復(fù)合材料的平均摩擦因數(shù)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(xiàn)象并出現(xiàn)了大量磨屑，表現(xiàn)為黏著磨損特征；不同行進(jìn)速度下FSP制備復(fù)合材料的磨損表面只出現(xiàn)深度較淺的磨痕和溝槽，表現(xiàn)為磨粒磨損特征。這說明復(fù)合材料的耐磨性能較鋁合金有所提高。當(dāng)行進(jìn)速度為45，60 mm·min-1時，復(fù)合材料磨損表面沒有出現(xiàn)裂紋，行進(jìn)速度為75 mm·min-1時，復(fù)合材料磨損表面出現(xiàn)明顯裂紋。高熵合金的添加一方面可以提升復(fù)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(shù)量，從而提高了復(fù)合材料抵抗塑性變形的能力，并有效抑制裂紋的擴(kuò)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(jìn)速度較高時材料表面出現(xiàn)明顯裂紋。綜上，降低行進(jìn)速度有利于復(fù)合材料耐磨性能的提高。

圖6 AA5083鋁合金和不同行進(jìn)速度下FSP制備復(fù)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(jié) 論

(1) 添加FeCoNiCrAl高熵合金顆粒制備的復(fù)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(qiáng)作用，其顯微硬度高于鋁合金基體的；隨著行進(jìn)速度的增加，F(xiàn)eCoNiCrAl高熵合金顆粒在鋁合金基體中的分布均勻性變差，復(fù)合材料的硬度略微降低。

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