原位鋁基復合材料的攪拌摩擦加工制備、微觀組織和力學性能.pdf

1、攪拌摩擦加工(Friction stir processing，F(xiàn)SP)是近年來發(fā)展起來的一種新型材料塑性加工制備技術，目前已在超細晶材料的制備、材料的微觀組織改性以及金屬基復合材料的合成制備等方面得到了應用。本文選擇Al-Ti和Al-TiO2兩個鋁基復合材料常用的反應體系為研究對象，通過真空熱壓和FSP制備原位復合材料，系統(tǒng)研究了FSP激活原位反應的本質原因和FSP過程中增強相的形成機制及制備工藝參數(shù)對原位復合材料組織和性能的影響。主

2、要開展了以下方面的研究工作:
　　 研究了真空熱壓和FSP參數(shù)對Al-Ti系原位復合材料微觀組織和力學性能的影響。在真空熱壓過程中，Ti與Al之間發(fā)生反應擴散生成Al3Ti。隨著熱壓溫度提高和熱壓保溫時間的延長，生成的Al3Ti數(shù)量增多。隨后的FSP不僅能夠激活Al-Ti反應，而且細化了熱壓過程中形成的Al3Ti顆粒，導致Al3Ti在基體中的均勻分布。這些微觀組織的變化導致了原位復合材料的拉伸強度顯著提高。但拉伸強度隨FSP轉速

3、的變化趨勢卻依賴于熱壓過程中的Al-Ti反應程度;對于熱壓中Al-Ti反應未發(fā)生或部分發(fā)生的樣品，拉伸強度隨著FSP轉速的提高而提高;而對于熱壓中Al-Ti反應完全發(fā)生的樣品，拉伸強度隨著FSP轉速的提高而降低。
　　 定量研究了退火和FSP過程中Al-Ti的反應動力學。退火和FSP過程中的Al-Ti反應均可用經(jīng)驗公式VAl3Ti=ktn來描述。Al-Ti反應在525℃和550℃為擴散控制，在575-650℃則為界面反應控制。在

4、轉速為1000和2000rpm的FSP過程中的Al-Ti反應均為界面反應控制。相對于退火過程，F(xiàn)SP過程中Al-Ti反應速率常數(shù)顯著增加，這主要是由于FSP過程中劇烈塑性變形降低了反應激活能所致。有效溫度可以用來表征FSP對機械活化的貢獻，工具轉速為1000和2000rpm的FSP過程中反應體系的有效溫度分別為710和716℃。
　　 研究了Cu或Mg添加對Al-Ti體系制備復合材料的微觀組織和力學性能的影響。在Al-Ti體系中

5、添加少量的Cu導致FSP過程中出現(xiàn)了少量的共晶液相，因此強化了Al-Ti反應，生成了更多的Al3Ti顆粒。同時Cu與基體Al生成Al2Cu，Al2Cu在FSP過程中經(jīng)歷了溶解-再析出過程，而部分Cu則以固溶原子的形式保留在基體中。在Al-Ti體系中添加少量的Mg可以導致基體中生成具有細小孿晶片層的Ti2Mg3Al18顆粒，因而導致FSP樣品中增強相體積分數(shù)的增加。Cu和Mg的添加引入了更多的強化方式和增強相含量，因此導致原位復合材料室溫

6、強度的大幅度提高，但卻嚴重降低了材料的塑性。
　　 采用搭接率為50％的FSP搭接加工制備的大面積原位復合材料組織相對均勻，各道次之間并無明顯的過渡區(qū)，搭接加工過程中Al-Ti原位反應程度與原位4道次基本相同。FSP搭接Al-Ti樣品加工區(qū)橫截面硬度分布均勻，拉伸性能也與原位4道次樣品接近。FSP搭接加工Al-Ti-Cu樣品的硬度隨著與第一道次距離的增加而逐漸增加，拉伸性能也低于原位4道次的樣品，這主要由于距離第1道次加工區(qū)較近

7、的材料經(jīng)歷了較多次數(shù)的熱循環(huán)，導致基體中Al2Cu數(shù)量增加，尺寸增大造成的。經(jīng)過固溶處理后，搭接加工Al-Ti-Cu樣品的硬度分布變得均勻，拉伸強度大幅度提高。
　　 研究了FSP過程中Al-TiO2系原位復合材料的反應機制和增強相形成機制以及所制備原位復合材料的強化機制。FSP激活Al-TiO2反應可歸因于FSP過程中劇烈的塑性變形導致的元素擴散加速以及機械活化作用。FSP過程中Al2O3和Al3Ti的形成機制分別為變形協(xié)助的

8、界面反應和變形協(xié)助的溶解-析出機制。FSP復合材料的強化機制包括:載荷傳遞、晶粒細化強化和Orowan強化，其中Orowan強化對FSP復合材料的屈服強度貢獻最大。
　　 系統(tǒng)研究了熱壓和FSP參數(shù)對Al-TiO2系原位復合材料組織和性能的影響。在溫度為500℃、保溫時間為5min的熱壓過程中，TiO2和Al未發(fā)生反應。在熱壓溫度為550℃、保溫時間為50min的熱壓過程中，TiO2和Al發(fā)生部分反應。在熱壓溫度為630℃、保溫

9、時間為240min的熱壓過程中，TiO2和Al完全反應，生成粗大的、多邊形的Al3Ti和150nm左右的Al2O3。對于熱壓過程中未反應和部分反應的樣品，隨后的FSP激活了Al-TiO2反應，生成了尺寸約為80nm的Al3Ti和Al2O3顆粒，拉伸性能相對于FSP純鋁也有較大的提高。對于熱壓中完全反應的樣品，F(xiàn)SP將多邊形的Al3Ti變?yōu)闄E圓形，并使Al2O3和Al3Ti均勻分布于基體中。由于基體中的Al3Ti相對粗大，導致拉伸性能低于