高熵合金增強鋁基復合材料組織與顯微硬度研究

曹鵬飛，郝炳睿，孫振富，張孫藝，高吉成

（揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

近年來，隨著節(jié)能減排、綠色環(huán)保理念在車輛工程領域的深入，汽車制造業(yè)對比強度和可加工性優(yōu)良的鋁合金的需求在不斷增加［1］。但是車輛工業(yè)的迅速發(fā)展對鋁合金的性能提出越來越高的要求，傳統(tǒng)鋁合金材料在硬度和耐磨性等方面已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代汽車工業(yè)的需求，如何在不改變基體性能的同時提高鋁合金的表面性能成為鋁合金研究的熱點問題之一，而顆粒增強鋁基復合材料為這一問題的解決提供了新的思路。目前，用于顆粒增強鋁基復合材料的制備技術有攪拌鑄造、粉末冶金和噴射成型等，但是這些技術往往在高溫下進行，顆粒與基體的界面處會發(fā)生化學反應并產(chǎn)生脆性相，因此尋求新型的制備工藝迫在眉睫。

2003年，Mishra等人基于攪拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）技術提出了一種用于表面復合材料制備的新型加工技術——攪拌摩擦加工（Friction Stir Processing，F(xiàn)SP）［2］。作為一種新型的現(xiàn)代制造技術，攪拌摩擦加工是一次成型的快速加工技術，該技術可以通過局部的固態(tài)加工實現(xiàn)材料表面組織的均勻化和致密化；攪拌摩擦加工技術直接在基體表面進行加工，所獲得的表面改性層與基體之間可以實現(xiàn)良好的冶金結合；同時，該技術在基體材料熔點以下進行，工藝簡單，能耗小，是一種綠色的先進制造技術［3］。目前攪拌摩擦加工技術已經(jīng)在鋁合金、鎂合金、鈦合金等金屬材料中得到廣泛應用，尤其在鋁合金材料中所體現(xiàn)出的快速高效的優(yōu)勢是其他加工技術所不能比擬的［4］。高熵合金是由5種以上元素按照等摩爾比或近等摩爾比組成的合金，其特性是所有元素共同作用，在強度、硬度和耐磨性方面具有傳統(tǒng)合金所無法比擬的優(yōu)異性能［5］。基于此，本文以FeCoNiCrMn高熵合金顆粒為增強相，以5083鋁合金為基體，通過攪拌摩擦加工技術制備高熵合金顆粒增強鋁基復合材料，研究加工道次對5083鋁基復合材料微觀組織和顯微硬度的影響。

1 實驗材料與方法

實驗采用4mm厚5083鋁合金為基體，增強相為FeCoNiCrMn高熵合金顆粒，其微觀組織如圖1所示，平均粒徑約為20μm。采用開槽法添加顆粒，首先在5083鋁合金表面加工深度為1.5mm、寬度為2mm的凹槽，將FeCoNiCrMn高熵合金顆粒填充至凹槽并壓實，用無針攪拌頭進行密封處理，通過有針攪拌頭進行攪拌摩擦加工制備復合材料，加工道次分別為1、3和5。攪拌頭采用H13鋼制作，軸肩直徑為20mm，攪拌針直徑為5 mm，攪拌針長度為3.5mm，加工過程中旋轉速度為1 000r／min，行進速度為60mm／min，下壓量為0.1mm。

圖1 FeCoNiCrMn高熵合金SEM圖

通過S-4800掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對樣品的微觀組織進行分析，通過能譜儀（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS）對樣品化學成分進行分析，通過HV-1000B顯微硬度計對復合材料硬度進行測試，載荷為50g，時間為5s，5次測量取平均值。

2 實驗結果與分析

2.1 微觀組織分析

圖2為不同加工道次復合材料攪拌區(qū)的微觀組織。1道次加工后，組織中存在大的顆粒，如圖2（a）所示，其EDS分析如圖3所示，其中白色顆粒為高熵合金。隨著加工道次的增加，組織中FeCoNiCrMn高熵合金增強相明顯碎化，且分布更加均勻，如圖2（b）和圖2（c）所示。這主要源于兩方面的原因：一方面，攪拌摩擦加工過程中，F(xiàn)eCoNiCrMn高熵合金顆粒被5083鋁合金基體包裹并在攪拌頭的旋轉和攪拌作用下隨著基體金屬一起流動，由于FeCoNiCrMn高熵合金與5083鋁合金基體性能上的差異，使得粒子很難在基體中均勻分散，因此需要多道加工才能使得組織均勻化，同時，隨著加工道次的增加，材料的流動能力和混合能力得到提升，且材料的遷移距離也大幅度增加；另一方面，攪拌摩擦加工是一種復雜的加工過程，該過程中同時存在幾何動態(tài)再結晶、連續(xù)動態(tài)再結晶和不連續(xù)動態(tài)再結晶三種結晶機制，隨著加工道次的增加，材料的流動應變率提高，從而使得組織更加細化。

圖2 不同加工道次復合材料攪拌區(qū)微觀組織

圖3 復合材料EDS分析

2.2 顯微硬度分析

圖4 為不同加工道次復合材料的顯微硬度。從圖4中可以看出：基體的顯微硬度較低，僅有HV65，添加FeCoNiCrMn高熵合金顆粒后，復合層的顯微硬度得到明顯提升，1道次加工的顯微硬度值達到HV84，較基體提升了29%；隨著加工道次的增加，顯微硬度進一步提升，3道次加工后的顯微硬度值為HV108，較基體提升了66%；5道次加工后，復合層的顯微硬度達到116HV，較基體提升了79%。分析認為，顯微硬度的提升源于攪拌摩擦加工過程中顯微組織的細化和第二相強化。一方面，攪拌摩擦加工過程中，鋁合金基體與攪拌頭的相互作用產(chǎn)生大量的摩擦熱，在攪拌頭的旋轉擠壓和FeCoNiCrMn高熵合金顆粒的阻礙下，晶粒長大過程受到阻礙，晶粒細化且位錯能大量積累，材料抵抗塑性變形的能力得到提升，隨著攪拌摩擦加工道次的增加，動態(tài)再結晶后的晶粒會進一步細化，使得復合材料的顯微硬度得到進一步提升；另一方面，F(xiàn)eCoNiCrMn高熵合金顆粒添加后，隨著攪拌摩擦加工過程分散在5083鋁合金基體中，且隨著加工道次增加分散的更加均勻，第二相硬質(zhì)顆粒的加入也可以使得材料的顯微硬度得到提升。

圖4 不同加工道次復合材料的顯微硬度

3 結論

通過攪拌摩擦加工技術制備了FeCoNiCrMn高熵合金顆粒增強5083鋁基復合材料，并研究了加工道次對復合材料微觀組織和顯微硬度的影響，結論如下：

（1）1道～5道次內(nèi)，隨著加工道次的增加，F(xiàn)eCoNiCrMn高熵合金顆粒在5083基體中分散更加均勻，團聚現(xiàn)象減少。

（2）添加FeCoNiCrMn高熵合金顆粒后，復合材料的顯微硬度得到大幅度提升，最高硬度值為基體的1.79倍。

（3）攪拌摩擦加工技術在鋁基復合材料制備中有著巨大的應用前景。