基于FSP技術制備CeO2顆粒增強鋁基復合材料*

張孫藝，周 爽，朱紹舉，高吉成

(揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

5083鋁合金由于其優良的塑性和耐蝕性能而被廣泛應用于航空航天、交通運輸等工業領域。工業技術的迅速發展對鋁合金的性能提出越來越高的要求，而以鋁合金為基體的金屬基復合材料成為結構材料發展的趨勢之一，目前制備金屬基復合材料的工藝主要是鑄造和粉末冶金等，這些工藝一般存在著設備昂貴、工藝復雜等缺點。相較于其他工藝，攪拌摩擦加工是一種新型的制備顆粒增強復合材料的技術，該技術通過攪拌工具與基體的熱力耦合作用來細化晶粒并分散增強相，是一種工藝簡單、快速高效、綠色環保的制備技術。

目前通過攪拌摩擦加工技術制備的鋁基復合材料的增強相主要有碳納米管、陶瓷顆粒和硬質合金顆粒等，對于稀土氧化物作為增強相的研究較少。基于此，本文以5083鋁合金為基體，以CeO2顆粒為增強相，通過攪拌摩擦加工技術制備顆粒增強鋁基復合材料，研究加工道次對復合材料的微觀組織、顯微硬度和耐磨性能的影響。

1 實驗材料與方法

實驗采用4 mm厚5083鋁合金為基體，增強相為CeO2顆粒，其微觀組織如圖1所示。攪拌頭采用H13鋼制作，攪拌針直徑為5 mm，攪拌針長度為3.5 mm，軸肩直徑為20 mm，加工過程中旋轉速度為900 r/min，行進速度為60 mm/min，下壓量為0.1 mm。通過開槽法將CeO2顆粒填充至基體凹槽中壓實并用無針攪拌頭進行密封處理，通過攪拌摩擦加工技術制備復合材料。

通過S-4800掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)觀察樣品的微觀組織，通過HV-1000B顯微硬度計對樣品硬度進行測試，載荷為50g，時間為5 s。通過BRUKER UTM-2摩擦磨損實驗機測試樣品的耐磨性能。

圖1 CeO2顆粒SEM圖

2 結果與分析

2.1 微觀組織分析

以3道次加工樣品為例，其橫截面組織如圖2所示。從圖2中可以看出，整個區域分為母材、熱影響區、熱機影響區和加工區四個部分，母材為5083鋁合金的原始組織，熱影響區與母材之間沒有明顯的區別，攪拌摩擦加工過程中熱影響區僅僅受到熱循環的作用，相對于母材，熱影響區晶粒有長大的趨勢；熱機影響區除了受到熱循環的作用，還會受到攪拌工具的不充分攪拌，其晶粒往往會被拉長；加工區材料在攪拌針的充分攪拌作用下發生劇烈的塑性變形，組織發生動態再結晶，其晶粒往往是細小的等軸晶。本文中添加的CeO2增強相黏度較大，在基體中分散程度不如其他的陶瓷顆粒，因此在組織中可以發現明顯的團聚現象。

圖2 3道次加工后樣品橫截面組織

圖3為不同加工道次復合材料的微觀組織。圖3中，白色部分為CeO2顆粒，1道次加工后組織中出現CeO2顆粒聚集現象，且整體分布不均勻；經過5道次加工后，CeO2顆粒聚集現象消失，增強相彌散分布在基體中，顆粒分散較均勻，這往往會對基體起到很好的彌散強化效果。攪拌摩擦加工過程中，CeO2顆粒會隨著基體金屬在攪拌頭的旋轉和攪拌作用下運動，在熱力耦合作用下，CeO2顆粒與金屬被攪拌針剪切、擠壓并碎化，增加加工道次一方面可以增加基體與增強相的接觸時間，使得材料可以充分的混合，從而引起CeO2顆粒的均勻化與碎化。

圖3 不同加工道次復合材料微觀組織

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，復合材料的顯微硬度均高于基體的硬度，且隨著加工道次的增加，材料的顯微硬度呈現上升的趨勢。顯微硬度的提高主要源于攪拌摩擦加工過程中攪拌針的擠壓、碎化效應，且這種效應隨著加工道次的增加而增強。

2.3 耐磨性能分析

圖5為不同加工道次復合材料的磨損體積。從圖

5中可以看出，基體的磨損體積最大，隨著加工道次的增加，磨損體積減小，但是3道次和5道次加工后樣品的磨損體積差別不大。添加的CeO2顆粒具有固體潤滑作用，在一定程度上可以提高材料的耐磨性能，同時增加加工道次可以使得CeO2顆粒分散更加均勻，但是3道次和5道次加工后樣品的微觀組織沒有明顯的變化，從而導致磨損體積的變化較小。

圖4 不同加工道次復合材料的顯微硬度

圖5 不同加工道次復合材料的磨損體積

3 結論

通過攪拌摩擦加工技術制備了CeO2顆粒增強5083鋁基復合材料，CeO2顆粒在基體中分散均勻；隨著加工道次的增加，復合材料的顯微硬度逐漸升高，5道次加工后的顯微硬度最高；復合材料的磨損體積均小于基體的磨損體積，3道次加工后的磨損體積最小。