楊睿

摘要： 攪拌摩擦加工是一種新型的原位鋁基復(fù)合材料的研究方法。本文從攪拌摩擦加工的工藝參數(shù)、材料流變的組織分析方法和材料流變模型三個(gè)維度探索了該工藝在原位鋁基復(fù)合材料組織性能的研究中的影響和作用。

Abstract： Friction stir machining is a new research method for in-situ aluminum matrix composites. This paper explores the influence and function of the process in the research on the microstructure and properties of in-situ aluminum matrix composites from three dimensions： the process parameters of friction stir processing， the organization analysis method of material rheology and the material rheology model.

關(guān)鍵詞： 攪拌摩擦加工;工藝參數(shù);材料流變;組織分析方法;模型

Key words： friction stir processing;process parameters;material rheology;tissue analysis method;model

中圖分類號：TK416+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0204-02

0? 引言

原位鋁基復(fù)合材料組織中的顆粒是由Al基體和添加物經(jīng)過反應(yīng)獲得的，具有尺寸細(xì)小、分布相對均勻、與基體化學(xué)相容性好等優(yōu)勢。與外加鋁基復(fù)合材料相比，原位鋁基復(fù)合材料組織中的顆粒表現(xiàn)出了更好的室溫和高溫力學(xué)性能[1]。目前研究者對原位鋁基復(fù)合材料的反應(yīng)機(jī)制、微觀組織和力學(xué)性能展開了廣泛的研究，并形成了一些較為成熟的制備工藝。然而，研究結(jié)果表明，原位鋁基復(fù)合材料中亞微米及納米增強(qiáng)顆粒仍存在團(tuán)聚現(xiàn)象，這說明其力學(xué)性能仍有進(jìn)一步提高的可能。更多的科學(xué)家也將研究的目光聚焦到探索新的鋁基復(fù)合材料加工方法和工藝方向。

1999年Mishra等人基于攪拌摩擦焊工藝，提出一種新型固態(tài)塑性加工方法——攪拌摩擦加工。在加工的過程中，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具緩慢擠入工件，直至軸肩與工件表面緊密接觸;攪拌頭及軸肩與工件摩擦產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致周圍金屬軟化;伴隨著攪拌工具的繼續(xù)行進(jìn)，熱塑性金屬經(jīng)歷劇烈塑性變形并產(chǎn)生了定向流動。由于同時(shí)存在軸肩鍛造力的作用，遷移至后方的沉積金屬形成了致密的攪拌區(qū)。新的研究結(jié)果表明，鋁基復(fù)合材料經(jīng)過攪拌摩擦加工后，基體中顆粒團(tuán)簇消除、晶粒細(xì)化，材料表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度和韌性[2]。

1? 攪拌摩擦加工的主要工藝參數(shù)

原生于攪拌摩擦焊的新工藝方法——攪拌摩擦加工，其工藝參數(shù)眾多，主要工藝參數(shù)包括：攪拌工具的幾何形狀、控制參數(shù)（旋轉(zhuǎn)速度、行進(jìn)速度、傾斜角度）和冷卻方式等。攪拌工具一般由軸肩和攪拌針構(gòu)成，根據(jù)加工材料不同可選用的材質(zhì)有工具鋼、高溫合金、硬質(zhì)合金和陶瓷等高強(qiáng)度材料。軸肩在攪拌摩擦加工工藝過程中主要有兩個(gè)作用：①與工件表面摩擦產(chǎn)熱，是基材軟化的重要熱源之一;②對熱塑化基材提供約束作用，防止其從攪拌區(qū)溢出。軸肩的發(fā)展經(jīng)歷了平面、凹面、同心圓環(huán)槽、渦狀線和其他更復(fù)雜形狀的過程。攪拌針的主要作用是對基材進(jìn)行摩擦和攪動，產(chǎn)生復(fù)雜的塑性流變，進(jìn)而驅(qū)動熱塑化金屬上下運(yùn)動的同時(shí)前向后流動。很多攪拌缺陷的形成都與攪拌針形狀設(shè)計(jì)不合理有關(guān)，攪拌針形狀和尺寸及加工參數(shù)共同決定了攪拌摩擦加工過程的傳熱和材料流變，從而確定了溫度場和流變場的性質(zhì)，最終決定了攪拌區(qū)域接頭的質(zhì)量。攪拌針的發(fā)展經(jīng)歷了光面圓柱體、普通圓柱螺紋、錐形螺紋、大溝槽螺紋、帶螺旋流動槽螺紋和其他更復(fù)雜形狀的過程。旋轉(zhuǎn)速度（ω）和行進(jìn)速度（ν）是攪拌摩擦加工工藝過程中兩個(gè)最重要的參數(shù)。研究表明，在合適的攪拌頭前提下，ω和ν的選擇對攪拌區(qū)的性能影響很大。根據(jù)熱輸出分析，攪拌區(qū)的熱強(qiáng)度q為：q=4/3π2μPωR3。

上式中，R為軸肩直徑，μ和P分別為軸肩與工件間摩擦系數(shù)和壓力。對鋁合金而言，ω和ν匹配良好，可以獲得理想的攪拌區(qū);ω較低或ν較高時(shí)，工件熱輸入量不足，材料塑性流變不充分，攪拌區(qū)內(nèi)往往形成不均勻的“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)，或者會產(chǎn)生“隧道”、“趾根”等缺陷。ω過高或ν較低時(shí)，攪拌區(qū)溫度過高，極易導(dǎo)致基體晶粒和第二相嚴(yán)重粗化，并進(jìn)一步形成“氧化物夾雜”、“蠕蟲”等內(nèi)部缺陷。

攪拌摩擦加工工藝?yán)鋮s方式包括空冷、墊板導(dǎo)熱、噴灑冷卻介質(zhì)等。采用強(qiáng)制散熱的方式可以提高攪拌區(qū)材料的冷卻速率，抑制再結(jié)晶晶粒的長大，提高力學(xué)性能。強(qiáng)制冷卻技術(shù)已成功應(yīng)用于鎂合金、鋁合金及銅合金的超細(xì)晶材料制備。Su等人采用甲醇和干冰的混合物對FSP-7075鋁合金進(jìn)行強(qiáng)制降溫，獲得了100～400nm的超細(xì)晶組織。同時(shí)，有學(xué)者進(jìn)行的研究結(jié)果表明，對于可時(shí)效強(qiáng)化的鋁合金，強(qiáng)制過冷不僅可以保留攪拌摩擦加工工藝過程中細(xì)晶結(jié)構(gòu)，還可以有效抑制彌散相的析出，結(jié)合后續(xù)低溫時(shí)效，能夠進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能。

2? 攪拌摩擦加工工藝的材料流變可視化

在攪拌摩擦加工工藝過程中，材料流變直接關(guān)系到攪拌區(qū)內(nèi)的組織和性能，是一個(gè)受工藝參數(shù)影響的復(fù)雜過程，其中攪拌區(qū)材料經(jīng)歷的應(yīng)變速率能夠達(dá)到102s-1，而應(yīng)變高達(dá)40。由于自身特點(diǎn)，到現(xiàn)階段仍沒有辦法直接觀察到材料流變過程，當(dāng)前主要依靠事后組織分析和計(jì)算機(jī)模擬兩種方法進(jìn)行可視化研究。

材料流變的組織分析方法主要有3種：異種材料焊接，示蹤技術(shù)和急停技術(shù)（攪拌針冷凍技術(shù)）。

異種材料焊接是指采用不同材質(zhì)板材進(jìn)行FSW，由于材料耐腐蝕性不同而呈現(xiàn)不同的金相組織形貌，通過比較可以獲得材料流變信息。觀察2024Al與6061Al異種焊接的宏觀組織，可見兩種材料在FSW過程中形成了復(fù)雜的具有渦輪狀特征的薄片夾層結(jié)構(gòu)，其中動態(tài)再結(jié)晶起到關(guān)鍵作用。Ouyang等人研究了6061Al/6061Al和6061Al/2024Al的FSW接頭組織特征及相應(yīng)流變行為。結(jié)果表明，無論是同種還是異種FSW，材料在焊核區(qū)均發(fā)生劇烈塑性變形和機(jī)械混合，但兩側(cè)流動并不對等;在接頭中心線位置，前者出現(xiàn)了明顯渦流狀結(jié)構(gòu)特征，而后者則為薄片狀結(jié)構(gòu)，以上組織差異為不同材料沿?cái)嚢栳樎菁y在橫向及縱向流動的綜合作用結(jié)果。

示蹤技術(shù)是指將異種材料嵌入工件，待攪拌摩擦加工工藝結(jié)束后追蹤標(biāo)記物位置獲得材料流變信息。Colligan等人以小鋼球?yàn)槭聚櫜牧?，采用X射線技術(shù)分析其在攪拌區(qū)中分布。結(jié)果表明，前進(jìn)側(cè)材料在軸肩部位經(jīng)歷攪動，隨后沿?cái)嚢栳樕下菁y強(qiáng)制往下遷移，并在起始位置后方沉積;后退側(cè)材料則僅僅是繞攪拌針擠壓，當(dāng)它繞過時(shí)向上運(yùn)動。Schmidt等人以薄Cu片為示蹤材料，采用三維CT技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，攪拌針在前進(jìn)側(cè)將材料帶入軸肩的空腔，在剪切力驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)至后退側(cè)，最終流出攪拌針并沉積。Reynolds等人采用5454Al標(biāo)記物對2195-T8合金FSW過程中的材料流動行為進(jìn)行了研究，認(rèn)為攪拌摩擦加工工藝類似于原位擠壓，其中攪拌工具的軸肩、攪拌針、墊板及攪拌區(qū)外圍的母材構(gòu)成了一個(gè)虛擬的“擠壓?！?。

急停技術(shù)是指在攪拌摩擦加工工藝過程中，突然停止攪拌頭旋轉(zhuǎn)并反轉(zhuǎn)出工件，對攪拌區(qū)材料組織進(jìn)行分析以確定流變行為。Guerra等人采用示蹤C(jī)u片和急停技術(shù)研究了6061Al的材料流變，發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)進(jìn)程：①攪拌頭前方偏前進(jìn)側(cè)材料被攪拌針拖拽并移動，在攪拌區(qū)呈螺旋運(yùn)動，當(dāng)經(jīng)歷一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)周期后，在攪拌針后方前進(jìn)側(cè)被剝離;②攪拌頭前方偏后退側(cè)材料，主要填充前進(jìn)側(cè)被剝離的空腔。Chen等人采用急停技術(shù)對FSW-5083Al的流動行為進(jìn)行觀察。結(jié)果表明，塑性金屬圍繞攪拌針形成一個(gè)剪切層，隨著攪拌頭前行，剪切層中的絕大部分材料從攪拌頭后方的后退側(cè)與攪拌針分離，之后在慣性及剪切層的擠壓力驅(qū)動下向空腔填充，直至到達(dá)前進(jìn)側(cè)。

除了實(shí)驗(yàn)觀察方法外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，解析和數(shù)學(xué)建模的方法已成為研究和分析攪拌摩擦加工工藝過程中材料流變的一種重要手段。Deng等人應(yīng)用動態(tài)適應(yīng)性網(wǎng)格有限元方法，模擬攪拌區(qū)材料的流動情況。結(jié)果表明，材料均從后退側(cè)繞過攪拌針移動到攪拌頭后方，工藝參數(shù)對金屬流動影響較大，這與示蹤技術(shù)觀察結(jié)果相吻合。有學(xué)者比較了滑動摩擦產(chǎn)熱和塑性變形傳熱條件，建立了包括墊板和帶螺紋攪拌針在內(nèi)的傳熱模型;他還應(yīng)用Fluent商業(yè)軟件對材料流變過程中熱-力耦合行為進(jìn)行數(shù)值模擬，給出了FSW過程中焊核區(qū)橫向壓力和垂直壓力的變化情況，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化攪拌工具設(shè)計(jì)，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)值有較好吻合。

3? 攪拌摩擦加工工藝的材料流變模型

基于大量地實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)值模擬，當(dāng)前有兩種流變模型得到了廣泛關(guān)注及拓展，即動力學(xué)模型和金屬加工模型。Nunes等人從實(shí)驗(yàn)觀察和動力學(xué)角度，建立了物理模型，認(rèn)為攪拌摩擦加工工藝過程中存在3種的不可壓縮流場：①剛體旋轉(zhuǎn)場——熱塑化金屬在剪切力作用下，圍繞攪拌針作圓周運(yùn)動;②水平遷移場——熱塑化金屬在摩擦力約束下，與攪拌工具一起水平運(yùn)動;③渦流場——熱塑化金屬沿板厚方向做環(huán)形渦流運(yùn)動。三種不可壓縮流場矢量疊加獲得兩種通量——直流通量和旋渦通量。以上分類使攪拌區(qū)中不可見的復(fù)雜運(yùn)動變得簡單、直觀、形象。

該模型中，直流通量是指材料從前方后退側(cè)被攪拌頭捕獲，但在旋轉(zhuǎn)場中停留時(shí)間很短，繞過攪拌針后直接在后方沉積，相當(dāng)于經(jīng)歷了一次擠壓;而旋渦通量是指材料從前方前進(jìn)側(cè)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)-渦流場，經(jīng)歷了強(qiáng)烈的攪拌和混合，直至剪切力將其剝離。Nunes動力學(xué)模型中兩種通量組合可以解釋攪拌區(qū)的織構(gòu)變化、洋蔥環(huán)和各種缺陷的形成。Arbegast等人將攪拌摩擦加工工藝視為一種多工藝融合的金屬加工過程，可分為五個(gè)部分：預(yù)熱區(qū)、初始變形區(qū)、擠壓區(qū)、鍛造區(qū)和冷卻區(qū)。首先攪拌工具旋轉(zhuǎn)摩擦預(yù)熱前端金屬形成預(yù)熱區(qū)和初始變形區(qū)，軟化金屬受迫進(jìn)入軸肩并向下流動進(jìn)入擠壓區(qū)，隨著攪拌頭移動，擠壓區(qū)內(nèi)熱塑性材料填補(bǔ)空腔，同時(shí)墊板和軸肩對后方材料進(jìn)行鍛造，固結(jié)，最終材料冷卻后形成致密的攪拌區(qū)。因此，Arbegast金屬加工模型主要由軸肩區(qū)、擠壓區(qū)、渦流區(qū)構(gòu)成，類似于擠壓+鍛造一體化工藝。該模型可用來解釋由FSW參數(shù)設(shè)置不合理引起的常見缺陷，如軸肩壓力不足容易形成連貫性孔洞或“隧道”[3]。

迄今為止，對攪拌摩擦加工工藝過程中材料流變模型和規(guī)律的認(rèn)識還很有限，主要由于影響因素眾多，如材料類型、攪拌工具形狀、加工參數(shù)等;此外，尚無直接觀察的實(shí)驗(yàn)手段，所以，攪拌區(qū)材料流變行為目前仍存在較多爭議，還有待進(jìn)一步深入研究。

4? 結(jié)論

攪拌摩擦加工是一種新型的原位鋁基復(fù)合材料的研究方法。本文從攪拌摩擦加工的工藝參數(shù)、材料流變的組織分析方法和材料流變模型三個(gè)維度探索了該工藝在原位鋁基復(fù)合材料組織性能的研究中的影響和作用。其中工藝參數(shù)包括攪拌工具的幾何形狀、冷卻方式和控制參數(shù)（旋轉(zhuǎn)速度、行進(jìn)速度、傾斜角度）等;材料流變的組織分析方法包括異種材料焊接，示蹤技術(shù)和急停技術(shù)（攪拌針冷凍技術(shù)）;材料流變模型最典型的是動力學(xué)模型和金屬加工模型。在今后攪拌摩擦加工的研究過程中，針對以上幾個(gè)方面的探索將會進(jìn)一步具體化，相信攪拌摩擦加工工藝在不久的將來會有更為廣闊的應(yīng)用前景。

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