岳亞妹

摘 要：攪拌摩擦加工技術(shù)（Friction Stir Processing，F(xiàn)SP）是由攪拌摩擦焊原理演化而成的一種關(guān)于新型材料制備與改性的新技術(shù)，可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)材料微觀組織的均勻化、致密化和細(xì)化。在制備鋁基復(fù)合材料時(shí)，采用此種技術(shù)可大大提高材料各方面的性能。本文主要介紹了FSP的基本原理以及用FSP制備的鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用、研究現(xiàn)狀及展望等。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦加工技術(shù) 鋁基復(fù)合材料

一、攪拌摩擦加工技術(shù)

1.原理。攪拌摩擦加工技術(shù)主要是利用攪拌頭對加工區(qū)域材料進(jìn)行劇烈的塑性變形，使其破碎、混合，從而實(shí)現(xiàn)材料微觀組織均勻化、致密化和細(xì)化的一種新型技術(shù)。在進(jìn)行操作的過程中，加工區(qū)域材料會在攪拌頭所產(chǎn)生的機(jī)械攪拌和摩擦熱的共同作用下，進(jìn)行劇烈的塑性變形及其組織的動態(tài)再結(jié)晶過程，從而使加工區(qū)域組織顯著致密化和均勻化，實(shí)現(xiàn)了材料性能的提高。在攪拌摩擦加工的過程中，攪拌頭進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，向加工方向移動，以實(shí)現(xiàn)加工區(qū)域組織的變化。攪拌頭主要是由攪拌針和軸肩組成的，攪拌針主要用于攪拌加工區(qū)域，同時(shí)控制周圍母材的流動方向，目前，為了改善母材的流動性，多使用帶有螺紋結(jié)構(gòu)的圓柱形攪拌針。軸肩主要是起到與工件的表面摩擦產(chǎn)生熱量，并防止軟化金屬溢出的作用。在加工時(shí)，先使攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)，再使其緩慢地進(jìn)入到待加工區(qū)域，通過機(jī)械攪拌產(chǎn)生的摩擦熱使金屬材料發(fā)生熱塑性變形，在向加工方向移動的過程中，母材會由旋入側(cè)流動到旋出側(cè)，從而使材料組織更均勻。攪拌摩擦加工的影響因素主要有以下幾個方面：（1）攪拌頭。攪拌頭的形狀、旋轉(zhuǎn)速度、向前移動的速度、加工傾角等都會影響加工材料的性能。大量的研究表明，攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度和行進(jìn)速度對加工區(qū)域的變形量以及溫度有重要的影響。當(dāng)攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度和行進(jìn)速度較低時(shí)，加工區(qū)域的溫度較高，材料的變形能力較高，變形均勻，不易產(chǎn)生“洋蔥環(huán)”、孔洞等缺陷。但若加工區(qū)域的溫度過高，也會對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。（2）加工參數(shù)。主要包括加工道次、多道塔接率以及軸肩下壓量等。對于鋁合金而言，提高加工道次可以使母材更細(xì)密，第二相分布更為均勻，由實(shí)驗(yàn)得，當(dāng)加工道次為4道次時(shí)，細(xì)化效果最顯著。加工傾角是指攪拌針軸線與母材外法線的夾角。夾角過小時(shí)，軸肩會擠出旋入側(cè)材料，過大時(shí)，軸肩不能完全接觸到加工表面，此時(shí)，加工區(qū)域出現(xiàn)孔洞等缺陷，同時(shí)，軸肩也不能很好地發(fā)揮鍛造作用，材料的力學(xué)性能下降。

2.優(yōu)勢。攪拌摩擦技工技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型的固態(tài)加工技術(shù)，主要有以下幾個方面的優(yōu)點(diǎn)：材料在機(jī)械攪拌和摩擦熱的雙重作用下，發(fā)生劇烈的塑性變形以及回復(fù)再結(jié)晶，從而使母材組織更加細(xì)密，可有效地消除金屬鑄件中的疏松、縮孔、枝晶、第二相不均勻分布等缺陷，從而提高材料的強(qiáng)度硬度等性能；加工區(qū)域小，攪拌均勻，可有效地優(yōu)化加工區(qū)域的組織。

二、攪拌摩擦加工技術(shù)制備鋁基復(fù)合材料

1.制備方法。近年來，攪拌摩擦加工技術(shù)在制備金屬基復(fù)合材料方面獲得了很大的研究進(jìn)展。大量的研究表明，利用攪拌摩擦加工技術(shù)制備金屬基復(fù)合材料主要有兩種方法：

1.1間接法。此種方法是在制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)，將增強(qiáng)相顆粒與基體粉末混合完全，利用一定的工藝制成塊狀或?qū)悠瑺罨w，再利用攪拌摩擦加工技術(shù)對基體進(jìn)行二次加工，使第二相ZrB2顆粒均勻分布，從而獲得所需性能的材料。

1.2直接法。在已制備好的基體上，利用機(jī)械加工方法，對鋁基體進(jìn)行開洞或開槽，然后加入ZrB2顆粒，再利用攪拌針進(jìn)行攪拌，使增強(qiáng)相均勻分布于基體中，從而獲得性能良好的金屬材料。

2.增強(qiáng)顆粒的添加方式。在顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，顆粒的分布方式對其性能有很大的影響。由于攪拌摩擦加工會使增強(qiáng)相沿槽中心線被擠出，從而會影響第二相的分布，改變材料的性能。Mishra等人首先在鋁合金基體上均勻覆蓋了一層SiC顆粒，然后利用攪拌摩擦加工技術(shù)進(jìn)行加工，發(fā)現(xiàn)加工后的材料中，SiC顆粒均勻分布，表面復(fù)合材料層與鋁合金基體結(jié)合良好。Hsu等利用間接制備法，首先將Al粉分別與Cu和Ti混合，然后擠壓成一定體積的坯料，再在773-803K空氣氣氛中燒結(jié)，最后將制得的材料利用攪拌摩擦加工技術(shù)進(jìn)行加工。試驗(yàn)表明，用這種方法制得的增強(qiáng)材料，由于增強(qiáng)顆粒均勻分布，因此具有優(yōu)異的性能。

3.攪拌摩擦加工鋁基復(fù)合材料存在的問題。雖然攪拌摩擦加工技術(shù)在制備金屬基復(fù)合材料方面具有優(yōu)異的性能，但還是存在一定的問題，主要體現(xiàn)在以下幾個各方面。

3.1潤濕性。增強(qiáng)顆粒和鋁基體之間的潤濕性差異會影響增強(qiáng)顆粒在鋁基體中的分布有，對于SiC等陶瓷顆粒，由于其與鋁基體浸潤性相差較大，在鋁基體中易發(fā)生團(tuán)簇等現(xiàn)象而不能均勻分布，破壞了鋁基體的連續(xù)性，從而大大的影響了復(fù)合材料的性能。

3.2結(jié)合狀態(tài)。增強(qiáng)顆粒與鋁基體之間的界面結(jié)合方式會影響鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和斷裂方式。

3.3物理性能差異。例如線膨脹系數(shù)的不同，當(dāng)溫度變化較大時(shí)，容易在兩者界面結(jié)合處形成孔隙或微裂紋，這在很大程度上減弱了復(fù)合材料的抗塑性變形的能力。目前，攪拌摩擦加工技術(shù)制備鋁基復(fù)合材料相對其他鋁基復(fù)合材料制備技術(shù)而言還不是很成熟，在某些方面還存在較多的問題。但由于其具有良好的可重復(fù)、低能耗、易操作、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在以后的研究中，攪拌摩擦加工技術(shù)仍具有很大的潛能。

三、攪拌摩擦加工技術(shù)制備鋁基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀及展望

攪拌摩擦技術(shù)具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，可以顯著地提高鎂、鋁、鈦等合金的力學(xué)性能。另外，但凡具有良好流動性的材料（包括金屬和非金屬），都可以利用這種方法進(jìn)行性能改性，所以在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于鎂和鋁具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)，因此目前的研究主要集中在鋁合金和鎂合金基體上。制備高性能鋁基復(fù)合材料的方法主要有大塑性變形法、原位生成法、粉末冶金法、機(jī)械合金化以及內(nèi)氧化法。利用FSP制備金屬間化合物具有很大的可行性，由于該領(lǐng)域研究才剛起步，所以還有很多問題亟待解決。隨著研究而進(jìn)一步深入，利用攪拌摩擦加工技術(shù)制備納米增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料及金屬間化合物具有良好的應(yīng)用前景，將會是未來研究的熱點(diǎn)。

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