原位鋁基復合材料攪拌摩擦加工工藝探索

楊睿

摘要： 攪拌摩擦加工是一種新型的原位鋁基復合材料的研究方法。本文從攪拌摩擦加工的工藝參數、材料流變的組織分析方法和材料流變模型三個維度探索了該工藝在原位鋁基復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.

關鍵詞： 攪拌摩擦加工;工藝參數;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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0204-02

0? 引言

原位鋁基復合材料組織中的顆粒是由Al基體和添加物經過反應獲得的，具有尺寸細小、分布相對均勻、與基體化學相容性好等優勢。與外加鋁基復合材料相比，原位鋁基復合材料組織中的顆粒表現出了更好的室溫和高溫力學性能[1]。目前研究者對原位鋁基復合材料的反應機制、微觀組織和力學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，研究結果表明，原位鋁基復合材料中亞微米及納米增強顆粒仍存在團聚現象，這說明其力學性能仍有進一步提高的可能。更多的科學家也將研究的目光聚焦到探索新的鋁基復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，提出一種新型固態塑性加工方法——攪拌摩擦加工。在加工的過程中，高速旋轉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生大量熱量，導致周圍金屬軟化;伴隨著攪拌工具的繼續行進，熱塑性金屬經歷劇烈塑性變形并產生了定向流動。由于同時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。新的研究結果表明，鋁基復合材料經過攪拌摩擦加工后，基體中顆粒團簇消除、晶粒細化，材料表現出較好的強度和韌性[2]。

1? 攪拌摩擦加工的主要工藝參數

原生于攪拌摩擦焊的新工藝方法——攪拌摩擦加工，其工藝參數眾多，主要工藝參數包括：攪拌工具的幾何形狀、控制參數（旋轉速度、行進速度、傾斜角度）和冷卻方式等。攪拌工具一般由軸肩和攪拌針構成，根據加工材料不同可選用的材質有工具鋼、高溫合金、硬質合金和陶瓷等高強度材料。軸肩在攪拌摩擦加工工藝過程中主要有兩個作用：①與工件表面摩擦產熱，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，防止其從攪拌區溢出。軸肩的發展經歷了平面、凹面、同心圓環槽、渦狀線和其他更復雜形狀的過程。攪拌針的主要作用是對基材進行摩擦和攪動，產生復雜的塑性流變，進而驅動熱塑化金屬上下運動的同時前向后流動。很多攪拌缺陷的形成都與攪拌針形狀設計不合理有關，攪拌針形狀和尺寸及加工參數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，最終決定了攪拌區域接頭的質量。攪拌針的發展經歷了光面圓柱體、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雜形狀的過程。旋轉速度（ω）和行進速度（ν）是攪拌摩擦加工工藝過程中兩個最重要的參數。研究表明，在合適的攪拌頭前提下，ω和ν的選擇對攪拌區的性能影響很大。根據熱輸出分析，攪拌區的熱強度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;ω較低或ν較高時，工件熱輸入量不足，材料塑性流變不充分，攪拌區內往往形成不均勻的“洋蔥環”結構，或者會產生“隧道”、“趾根”等缺陷。ω過高或ν較低時，攪拌區溫度過高，極易導致基體晶粒和第二相嚴重粗化，并進一步形成“氧化物夾雜”、“蠕蟲”等內部缺陷。

攪拌摩擦加工工藝冷卻方式包括空冷、墊板導熱、噴灑冷卻介質等。采用強制散熱的方式可以提高攪拌區材料的冷卻速率，抑制再結晶晶粒的長大，提高力學性能。強制冷卻技術已成功應用于鎂合金、鋁合金及銅合金的超細晶材料制備。Su等人采用甲醇和干冰的混合物對FSP-7075鋁合金進行強制降溫，獲得了100～400nm的超細晶組織。同時，有學者進行的研究結果表明，對于可時效強化的鋁合金，強制過冷不僅可以保留攪拌摩擦加工工藝過程中細晶結構，還可以有效抑制彌散相的析出，結合后續低溫時效，能夠進一步提高材料的力學性能。

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，材料流變直接關系到攪拌區內的組織和性能，是一個受工藝參數影響的復雜過程，其中攪拌區材料經歷的應變速率能夠達到102s-1，而應變高達40。由于自身特點，到現階段仍沒有辦法直接觀察到材料流變過程，當前主要依靠事后組織分析和計算機模擬兩種方法進行可視化研究。

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

異種材料焊接是指采用不同材質板材進行FSW，由于材料耐腐蝕性不同而呈現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過程中形成了復雜的具有渦輪狀特征的薄片夾層結構，其中動態再結晶起到關鍵作用。Ouyang等人研究了6061Al/6061Al和6061Al/2024Al的FSW接頭組織特征及相應流變行為。結果表明，無論是同種還是異種FSW，材料在焊核區均發生劇烈塑性變形和機械混合，但兩側流動并不對等;在接頭中心線位置，前者出現了明顯渦流狀結構特征，而后者則為薄片狀結構，以上組織差異為不同材料沿攪拌針螺紋在橫向及縱向流動的綜合作用結果。

示蹤技術是指將異種材料嵌入工件，待攪拌摩擦加工工藝結束后追蹤標記物位置獲得材料流變信息。Colligan等人以小鋼球為示蹤材料，采用X射線技術分析其在攪拌區中分布。結果表明，前進側材料在軸肩部位經歷攪動，隨后沿攪拌針上螺紋強制往下遷移，并在起始位置后方沉積;后退側材料則僅僅是繞攪拌針擠壓，當它繞過時向上運動。Schmidt等人以薄Cu片為示蹤材料，采用三維CT技術分析發現，攪拌針在前進側將材料帶入軸肩的空腔，在剪切力驅動下旋轉至后退側，最終流出攪拌針并沉積。Reynolds等人采用5454Al標記物對2195-T8合金FSW過程中的材料流動行為進行了研究，認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、墊板及攪拌區外圍的母材構成了一個虛擬的“擠壓?！?。

急停技術是指在攪拌摩擦加工工藝過程中，突然停止攪拌頭旋轉并反轉出工件，對攪拌區材料組織進行分析以確定流變行為。Guerra等人采用示蹤Cu片和急停技術研究了6061Al的材料流變，發現存在兩個進程：①攪拌頭前方偏前進側材料被攪拌針拖拽并移動，在攪拌區呈螺旋運動，當經歷一個或多個旋轉周期后，在攪拌針后方前進側被剝離;②攪拌頭前方偏后退側材料，主要填充前進側被剝離的空腔。Chen等人采用急停技術對FSW-5083Al的流動行為進行觀察。結果表明，塑性金屬圍繞攪拌針形成一個剪切層，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與攪拌針分離，之后在慣性及剪切層的擠壓力驅動下向空腔填充，直至到達前進側。

除了實驗觀察方法外，隨著計算機技術的發展，解析和數學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等人應用動態適應性網格有限元方法，模擬攪拌區材料的流動情況。結果表明，材料均從后退側繞過攪拌針移動到攪拌頭后方，工藝參數對金屬流動影響較大，這與示蹤技術觀察結果相吻合。有學者比較了滑動摩擦產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的傳熱模型;他還應用Fluent商業軟件對材料流變過程中熱-力耦合行為進行數值模擬，給出了FSW過程中焊核區橫向壓力和垂直壓力的變化情況，在此基礎上優化攪拌工具設計，模擬結果和實驗數值有較好吻合。

3? 攪拌摩擦加工工藝的材料流變模型

基于大量地實驗觀察和數值模擬，當前有兩種流變模型得到了廣泛關注及拓展，即動力學模型和金屬加工模型。Nunes等人從實驗觀察和動力學角度，建立了物理模型，認為攪拌摩擦加工工藝過程中存在3種的不可壓縮流場：①剛體旋轉場——熱塑化金屬在剪切力作用下，圍繞攪拌針作圓周運動;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動;③渦流場——熱塑化金屬沿板厚方向做環形渦流運動。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。以上分類使攪拌區中不可見的復雜運動變得簡單、直觀、形象。

該模型中，直流通量是指材料從前方后退側被攪拌頭捕獲，但在旋轉場中停留時間很短，繞過攪拌針后直接在后方沉積，相當于經歷了一次擠壓;而旋渦通量是指材料從前方前進側進入旋轉-渦流場，經歷了強烈的攪拌和混合，直至剪切力將其剝離。Nunes動力學模型中兩種通量組合可以解釋攪拌區的織構變化、洋蔥環和各種缺陷的形成。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，可分為五個部分：預熱區、初始變形區、擠壓區、鍛造區和冷卻區。首先攪拌工具旋轉摩擦預熱前端金屬形成預熱區和初始變形區，軟化金屬受迫進入軸肩并向下流動進入擠壓區，隨著攪拌頭移動，擠壓區內熱塑性材料填補空腔，同時墊板和軸肩對后方材料進行鍛造，固結，最終材料冷卻后形成致密的攪拌區。因此，Arbegast金屬加工模型主要由軸肩區、擠壓區、渦流區構成，類似于擠壓+鍛造一體化工藝。該模型可用來解釋由FSW參數設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律的認識還很有限，主要由于影響因素眾多，如材料類型、攪拌工具形狀、加工參數等;此外，尚無直接觀察的實驗手段，所以，攪拌區材料流變行為目前仍存在較多爭議，還有待進一步深入研究。

4? 結論

攪拌摩擦加工是一種新型的原位鋁基復合材料的研究方法。本文從攪拌摩擦加工的工藝參數、材料流變的組織分析方法和材料流變模型三個維度探索了該工藝在原位鋁基復合材料組織性能的研究中的影響和作用。其中工藝參數包括攪拌工具的幾何形狀、冷卻方式和控制參數（旋轉速度、行進速度、傾斜角度）等;材料流變的組織分析方法包括異種材料焊接，示蹤技術和急停技術（攪拌針冷凍技術）;材料流變模型最典型的是動力學模型和金屬加工模型。在今后攪拌摩擦加工的研究過程中，針對以上幾個方面的探索將會進一步具體化，相信攪拌摩擦加工工藝在不久的將來會有更為廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]Zhenya Zhang， Rui Yang， Yutao Zhao， etc. A novel two-step processing method for fabrication of in situ Al2O3np/Al-Al11Ce3 nanocomposite[J].Journal of Rare Earths，2015，33（2）：202-206.

[2]吳冰冰，劉成龍，童路.鋁合金表面攪拌摩擦加工處理的研究進展（II）—表面復合材料層的制備[J].2015，29（1）：99-105，97-304.

[3]William J. Arbegast. A flow-partitioned deformation zone model for defect formation during friction stir welding[J]. Scripta Materialia， 2008， 58（5）：372-376.