AlCoCrFeNi/5083Al复合材料的水下FSP制备及其组织性能研究

• 作 者: 程步云
• 出 处: 太原理工大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 5083铝合金 高熵合金 水下搅拌摩擦加工 微观组织 力学性能 磨损性能

传统陶瓷颗粒增强铝基复合材料在提高铝合金的强度与耐磨性能的同时,会引起塑性和韧性的降低,而硬质金属作为增强相可以同时兼顾强度和塑性。高熵合金具有独特结构使其具有优异的性能,故从提高复合材料的强度和耐磨性兼顾材料塑性方面考虑,高熵合金是一种理想的增强相材料。本研究以Al Co Cr Fe Ni高熵合金颗粒为增强相,采用水下快冷固相加工技术制备Al Co Cr Fe Ni/5083Al复合材料,在避免高温加工造成界面金属间化合物的同时,兼顾复合材料的强度和塑性,该复合材料的加工制备对于扩展铝合金的应用具有实际意义。本论文采用水下搅拌摩擦加工技术制备Al Co Cr Fe Ni/5083Al复合材料,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度仪和摩擦磨损等测试设备研究了加工道次（1,3,5道次）以及增强相高熵合金颗粒含量（5,10,15 vol.%）对Al Co Cr Fe Ni/5083Al复合材料的组织均匀性、力学性能和摩擦磨损性能的影响,揭示了复合材料的断裂、强化与磨损机制。本试验优化的工艺参数为:搅拌头旋转速度为1400 rad/min、进给速度为40 mm/min、下压深度为0.7 mm。此外,增加搅拌摩擦加工道次更有利于复合材料获得良好的成型及组织均匀性。不同含量的高熵合金颗粒均呈现均匀分布特征,不存在明显的团聚现象。高熵合金颗粒与铝基体获得了良好的界面结合,并未发现明显的反应层。水下快速冷却对再结晶晶粒的生长有较强的抑制作用,随着高熵合金颗粒含量的增加,Al Co Cr Fe Ni/5083Al复合材料的晶粒尺寸进一步细化。当高熵合金颗粒的含量为15 vol.%时,复合材料的平均晶粒为0.8μm,远小于铝合金母材的晶粒尺寸（16μm）。显微硬度测试结果表明:增加搅拌摩擦加工道次和高熵合金颗粒含量均可以改善复合材料的显微硬度。当高熵合金颗粒含量为15 vol.%时,经过5道次水下搅拌摩擦加工后,复合材料的显微硬度达到最大值147 HV_0.2,较铝合金母材硬度(87 HV_0.2)提高约69%。拉伸性能测试结果表明:增加搅拌摩擦加工道次可以显著提高复合材料的拉伸强度与延伸率,但增加高熵合金颗粒的含量在提高拉伸强度的同时会降低其延伸率。当高熵合金颗粒含量为15 vol.%时,经过5道次水下搅拌摩擦加工后,复合材料的极限抗拉强度与延伸率分别达到410 MPa和16.1%,强度较铝合金母材（290 MPa）提高约41.4%。对复合材料拉伸断口SEM分析结果表明:该复合材料的断裂机制主要是高熵合金颗粒自身的解理断裂和颗粒拔出。复合材料的主要强化机制为载荷传递强化、位错强化以及细晶强化。摩擦磨损性能测试结果表明,随着高熵合金颗粒含量的增加,复合材料的耐磨性能显著提高。与铝合金母材相比,当添加的高熵合金颗粒的含量为15 vol.%时,复合材料的磨损率为85×10^-5mm³/m。较铝合金母材磨损率(149×10^-5mm³/m)降低43%。复合材料的主要磨损机制由黏着磨损转变为复合材料的磨粒磨损。