增強顆粒對FSP 制備7075 鋁基復(fù)合材料沖擊性能的影響

劉勝榮 汪洪峰 蒲家飛 葛小樂 董 旗

（黃山學(xué)院，安徽 黃山 245041）

—、引言

隨著航空航天、 汽車等行業(yè)節(jié)能環(huán)保需求的快速增長， 輕量化已成為這些行業(yè)追求的目標(biāo)之一[1]。為了實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化， 鋁合金被廣泛的應(yīng)用于航空航天、 汽車等行業(yè)[2-3]。 7075 鋁合金由于具有良好的綜合力學(xué)性能，在飛機的桁條、骨架、翼盒和安定面等部位使用最為普遍。 但由于飛機等飛行器在氣流層飛行過程中受氣流顛簸產(chǎn)生不規(guī)則的交變載荷作用，這就對7075 鋁合金的抗沖擊性能提出了更高的要求。

攪拌摩擦加工（FSP）是在攪拌摩擦焊(FSW)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型固態(tài)加工技術(shù)[4-5]，在制備鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用方面， 國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究。 但承益等人[6]對原位自生TiB2/7075 復(fù)合材料進行FSP 后的材料進行了強化處理， 發(fā)現(xiàn)強度和塑性都得到了提高。劉奮成等人[7]用FSP 制備了碳納米管增強7075 鋁基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)隨著碳納米管含量的增加，復(fù)合材料的疲勞性能逐漸提高，抗拉強度逐漸減小。 李念軍等人[8]發(fā)現(xiàn)7075 鋁合金FSP 后加工區(qū)域硬度分布曲線呈“W”型分布，硬度最低值出現(xiàn)在后退側(cè)的熱影響區(qū)，經(jīng)拉伸試驗后，斷裂位置出現(xiàn)在硬度最低處。史清宇等人[9]采用多道次FSP 的方法成功制備出碳纖維增強鋁基復(fù)合材料， 并發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的抗拉強度和延伸率都得到了提升。 Rajan H B M等[10]研究了FSP 前后AA7075/TiB2鋁基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、 機械性能和磨損性能， 發(fā)現(xiàn)TiB2顆粒在FSP 過程中破碎，并沿晶界分布，晶粒得到了顯著細化，與基體結(jié)合性良好，機械性能和磨損性能得到了顯著提高。C.M. Rejil 等人[11]采用FSP 技術(shù)制備了TiC與B4C 鋁基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)隨著B4C 含量的增加，磨損率先減小后增大，當(dāng)TiC 與B4C 含量相同時，磨損率最低。 Xu Chensu 等[12]采用FSP 制備了原位TiB2/7075 鋁基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)晶粒得到了細化，拉伸強度和延伸率得到了顯著提高。

以上研究者雖然研究了利用FSP 制備鋁基復(fù)合材料的相關(guān)性能， 但針對植入增強顆粒對鋁基復(fù)合材料耐沖擊性能影響的研究尚未發(fā)現(xiàn)， 而在飛機上使用的7075 鋁合金往往更需要良好的耐沖擊性能，以提高其在空中飛行的安全性。 本文正是針對這個原因，探索性的利用FSP 技術(shù)在7075 鋁合金板材中分別植入TiB2、TiC 和Cf（碳纖維）制備復(fù)合材料，分析不同增強顆粒對7075 鋁基復(fù)合材料耐沖擊性能的影響規(guī)律，為實際工程應(yīng)用提供理論支持。

關(guān)鍵詞是對文獻內(nèi)容的高度概括，能夠很好地反映某一領(lǐng)域的研究熱點與學(xué)者關(guān)注的焦點。本文將近十年發(fā)表在CSSCI中與武術(shù)文化相關(guān)的文獻作為數(shù)據(jù)來源，采用CiteSpace軟件繪制關(guān)鍵詞知識圖譜。在CiteSpace界面中選擇網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(node types)為Keywords，算法選擇關(guān)鍵路徑(pathfinder)算法，數(shù)據(jù)抽取對象為top50，設(shè)置時間區(qū)間(time slicing)的值為1，分析時間為2007-2017年。運行后得到武術(shù)文化研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜，如圖5所示。

二、實驗材料與方法

（一）實驗材料

習(xí)近平總書記號召青年“在奮斗中釋放青春激情、追逐青春理想，以青春之我、奮斗之我，為民族復(fù)興鋪路架橋，為祖國建設(shè)添磚加瓦。”

伴隨企業(yè)的發(fā)展，在企業(yè)集團戰(zhàn)略性成本管理創(chuàng)設(shè)中，應(yīng)該將成本企劃作為企業(yè)集團的重點，按照企業(yè)經(jīng)營領(lǐng)域以及產(chǎn)品方向定位，進行產(chǎn)品成本管理方案的設(shè)計，提升企業(yè)運行的價值性。在企業(yè)成本企劃的過程中，其作為一種現(xiàn)代性的成本管理方案，可以對企業(yè)新產(chǎn)品的發(fā)展進行規(guī)劃，結(jié)合戰(zhàn)略性的發(fā)展目標(biāo)，進行成本管理制度的創(chuàng)新，為企業(yè)成本管理理念的確定提供支持。而且，在企業(yè)成本企劃中，相關(guān)人員應(yīng)該結(jié)合預(yù)期銷售的內(nèi)容，確定期望利潤，明確目標(biāo)的成本，并根據(jù)這些內(nèi)容進行產(chǎn)品工藝流程、流通加工以及包裝成本等問題的確定，展現(xiàn)企業(yè)集團成本企劃工作的價值性[3]。

表1 7075 鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)%）

3.3 動物行為的生理基礎(chǔ) 提問： 哪種動物的學(xué)習(xí)能力更強？學(xué)生易想到人類自己，引發(fā)學(xué)生思考： 說話是不是人類一生都在學(xué)習(xí)和使用的技能？讓學(xué)生感受學(xué)習(xí)說話是一項復(fù)雜的學(xué)習(xí)行為。同時，以視頻“一只說中文的貓”(貓發(fā)出類似中文“我要魚”，“我要牛肉面”的聲音)引導(dǎo)學(xué)生判斷： 動物(非人類)能學(xué)會說話嗎？請學(xué)生以舉手的形式初步選擇立場。

JB－W300B 型沖擊設(shè)備， 在室溫下，選用沖擊能量為150J 擺錘沖擊FSP區(qū)測試抗沖擊性能，記錄試樣吸收能量計算沖擊韌性，并借助日立S-3400N 型掃描電鏡（SEM）觀察斷裂口形貌和斷裂形式，分析增強顆粒對其沖擊性能影響。

圖1 攪拌摩擦焊設(shè)備與攪拌頭照片

對7075 鋁合金進行FSP 實驗前， 先將7075 鋁合金板材用金相砂紙去除表面氧化層后用水沖洗表面，將打磨的氧化物及灰塵洗掉，然后用無水乙醇對清洗干凈的板材表面再次進行清洗， 并用吹風(fēng)機吹干備用。 把TiB2粉末、TiC 粉末和Cf粉末分別與7075Al 粉末按1：9 的比例混合均勻， 然后分別將混合均勻的TiB2/7075Al 粉末、TiC/7075Al 粉末、和Cf/7075Al 填充至板材上的矩形槽內(nèi)， 壓實后用蓋板蓋住，形成實驗試樣。

FSP 實驗時先用無針攪拌頭進行封槽，封槽時無針攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為700r/min，攪拌頭前進速度為40 mm/min，其封槽的目的是使蓋板在軸肩壓力下下沉槽內(nèi)，讓混合粉末填充的更緊密，同時防止后續(xù)攪拌摩擦加工時蓋板翹邊將粉末犁出板外。 封槽后用帶針攪拌頭進行FSP 實驗， 其加工參數(shù)為旋轉(zhuǎn)速度700 r/min，前進速度20 mm/min，其工藝參數(shù)見表2。

（一）FSP 實驗結(jié)果分析

表2 FSP 工藝參數(shù)表

實驗設(shè)備采用北京賽福斯特有限公司研發(fā)的FSW-LM-A10 型攪拌摩擦焊設(shè)備，如圖1(a)所示。 設(shè)備所使用的攪拌頭分別為軸肩20 mm 無針攪拌頭和帶有右旋螺紋錐形攪拌針的攪拌頭，攪拌針長度為8 mm，小端直徑5 mm，大端直徑10 mm，軸肩直徑為24 mm，軸肩上刻有凹槽，如圖1(b)和1(c)所示。

（二）實驗設(shè)備與方法

圖2 沖擊試樣

三、實驗結(jié)果分析

經(jīng)過FSP 實驗后， 根據(jù)國標(biāo)GB/T 229-2007 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法， 使用線切割機床制備55×10×10mm（長×寬×高）的“V”型沖擊試樣（如圖2 所示），借助濟南新試金試驗機有限公司生產(chǎn)的

本實驗基體材料采用熱軋制7075 鋁合金板材，其具體化學(xué)成分如表1 所示。 鋁板尺寸為200×200×10 mm，其上開有150×4×5mm（長×寬×深）矩形槽，并配有150×4×2 mm（長×寬×深）的7075 蓋板，粉末材料分別是平均粒徑均為5μm 的TiB2、TiC 和7075Al，其大致形貌均為球形， 分布集中度均為99.5%,Cf為直徑為5μm，長度為1mm 的短切碳纖維。

圖3 為表2 中利用FSP 技術(shù)植入不同增強顆粒后復(fù)合材料的外觀形貌。 從圖中可以看出，經(jīng)過FSP后，加工區(qū)域表面質(zhì)量好，無明顯飛邊、溝槽等缺陷。整個加工區(qū)飛邊主要出現(xiàn)在前進側(cè)， 但加工區(qū)起始位置出現(xiàn)后退側(cè)材料溢出堆積， 前進側(cè)飛邊較少現(xiàn)象。 主要原因是攪拌頭初始沉入加工區(qū)內(nèi)部過程中，右旋的攪拌針在主軸反轉(zhuǎn)時將基材抽出， 附著在板材表面， 隨著攪拌頭的完全沉入基材內(nèi)部軸肩壓實板材表面， 導(dǎo)致抽出的材料隨著軸肩的旋轉(zhuǎn)從前進側(cè)遷移到后退側(cè)。 當(dāng)攪拌頭前進過程中前進側(cè)的材料不斷隨著攪拌針轉(zhuǎn)動從前進側(cè)遷移到后退側(cè)然后再遷移到前進側(cè)，整個過程實現(xiàn)了循環(huán)。 加工區(qū)表面出現(xiàn)不明顯的攪拌半圓弧紋路， 主要原因是攪拌頭在2.6°傾角下，由于裝夾工作臺及板材表面不平整，導(dǎo)致軸肩邊緣在攪拌時相對板材表面下壓量不同產(chǎn)生無明顯波紋。

圖3 植入不同增強顆粒后的外觀形貌

從表3 可以看出：試樣編號1、2、3 分別利用FSP技術(shù)植入增強顆粒TiB2、TiC 和Cf后，其沖擊韌性明顯高于母材，提高的效果依次為Cf＞TiC＞TiB2，其中植入Cf顆粒后其沖擊韌性是母材的1.85 倍。 沖擊韌性得到大幅提升的原因有二個方面： 一是由于FSP 作為一種新型固態(tài)加工技術(shù)， 可以通過攪拌摩擦產(chǎn)生的熱和塑性變形來細化晶粒，均勻化微觀組織，從而大幅提高材料的沖擊性能， 二是由于植入的增強顆粒具備良好的力學(xué)性能，TiC 具有高硬度、高熔點、高彈性模量和