原位鋁基復(fù)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(fù)合材料的研究方法。本文從攪拌摩擦加工的工藝參數(shù)、材料流變的組織分析方法和材料流變模型三個(gè)維度探索了該工藝在原位鋁基復(fù)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(guān)鍵詞： 攪拌摩擦加工;工藝參數(shù);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(lèi)號(hào)：TK416+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0204-02

0? 引言

原位鋁基復(fù)合材料組織中的顆粒是由Al基體和添加物經(jīng)過(guò)反應(yīng)獲得的，具有尺寸細(xì)小、分布相對(duì)均勻、與基體化學(xué)相容性好等優(yōu)勢(shì)。與外加鋁基復(fù)合材料相比，原位鋁基復(fù)合材料組織中的顆粒表現(xiàn)出了更好的室溫和高溫力學(xué)性能[1]。目前研究者對(duì)原位鋁基復(fù)合材料的反應(yīng)機(jī)制、微觀組織和力學(xué)性能展開(kāi)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(jié)果表明，原位鋁基復(fù)合材料中亞微米及納米增強(qiáng)顆粒仍存在團(tuán)聚現(xiàn)象，這說(shuō)明其力學(xué)性能仍有進(jìn)一步提高的可能。更多的科學(xué)家也將研究的目光聚焦到探索新的鋁基復(fù)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(tài)塑性加工方法——攪拌摩擦加工。在加工的過(guò)程中，高速旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致周?chē)饘佘浕?伴隨著攪拌工具的繼續(xù)行進(jìn)，熱塑性金屬經(jīng)歷劇烈塑性變形并產(chǎn)生了定向流動(dòng)。由于同時(shí)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(qū)。新的研究結(jié)果表明，鋁基復(fù)合材料經(jīng)過(guò)攪拌摩擦加工后，基體中顆粒團(tuán)簇消除、晶粒細(xì)化，材料表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度和韌性[2]。

1? 攪拌摩擦加工的主要工藝參數(shù)

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(shù)眾多，主要工藝參數(shù)包括：攪拌工具的幾何形狀、控制參數(shù)（旋轉(zhuǎn)速度、行進(jìn)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(gòu)成，根據(jù)加工材料不同可選用的材質(zhì)有工具鋼、高溫合金、硬質(zhì)合金和陶瓷等高強(qiáng)度材料。軸肩在攪拌摩擦加工工藝過(guò)程中主要有兩個(gè)作用：①與工件表面摩擦產(chǎn)熱，是基材軟化的重要熱源之一;②對(duì)熱塑化基材提供約束作用，防止其從攪拌區(qū)溢出。軸肩的發(fā)展經(jīng)歷了平面、凹面、同心圓環(huán)槽、渦狀線(xiàn)和其他更復(fù)雜形狀的過(guò)程。攪拌針的主要作用是對(duì)基材進(jìn)行摩擦和攪動(dòng)，產(chǎn)生復(fù)雜的塑性流變，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)熱塑化金屬上下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)前向后流動(dòng)。很多攪拌缺陷的形成都與攪拌針形狀設(shè)計(jì)不合理有關(guān)，攪拌針形狀和尺寸及加工參數(shù)共同決定了攪拌摩擦加工過(guò)程的傳熱和材料流變，從而確定了溫度場(chǎng)和流變場(chǎng)的性質(zhì)，最終決定了攪拌區(qū)域接頭的質(zhì)量。攪拌針的發(fā)展經(jīng)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(dòng)槽螺紋和其他更復(fù)雜形狀的過(guò)程。旋轉(zhuǎn)速度（ω）和行進(jìn)速度（ν）是攪拌摩擦加工工藝過(guò)程中兩個(gè)最重要的參數(shù)。研究表明，在合適的攪拌頭前提下，ω和ν的選擇對(duì)攪拌區(qū)的性能影響很大。根據(jù)熱輸出分析，攪拌區(qū)的熱強(qiáng)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(shù)和壓力。對(duì)鋁合金而言，ω和ν匹配良好，可以獲得理想的攪拌區(qū);ω較低或ν較高時(shí)，工件熱輸入量不足，材料塑性流變不充分，攪拌區(qū)內(nèi)往往形成不均勻的“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)，或者會(huì)產(chǎn)生“隧道”、“趾根”等缺陷。ω過(guò)高或ν較低時(shí)，攪拌區(qū)溫度過(guò)高，極易導(dǎo)致基體晶粒和第二相嚴(yán)重粗化，并進(jìn)一步形成“氧化物夾雜”、“蠕蟲(chóng)”等內(nèi)部缺陷。

攪拌摩擦加工工藝?yán)鋮s方式包括空冷、墊板導(dǎo)熱、噴灑冷卻介質(zhì)等。采用強(qiáng)制散熱的方式可以提高攪拌區(qū)材料的冷卻速率，抑制再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大，提高力學(xué)性能。強(qiáng)制冷卻技術(shù)已成功應(yīng)用于鎂合金、鋁合金及銅合金的超細(xì)晶材料制備。Su等人采用甲醇和干冰的混合物對(duì)FSP-7075鋁合金進(jìn)行強(qiáng)制降溫，獲得了100～400nm的超細(xì)晶組織。同時(shí)，有學(xué)者進(jìn)行的研究結(jié)果表明，對(duì)于可時(shí)效強(qiáng)化的鋁合金，強(qiáng)制過(guò)冷不僅可以保留攪拌摩擦加工工藝過(guò)程中細(xì)晶結(jié)構(gòu)，還可以有效抑制彌散相的析出，結(jié)合后續(xù)低溫時(shí)效，能夠進(jìn)一步提高材料的力學(xué)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(guò)程中，材料流變直接關(guān)系到攪拌區(qū)內(nèi)的組織和性能，是一個(gè)受工藝參數(shù)影響的復(fù)雜過(guò)程，其中攪拌區(qū)材料經(jīng)歷的應(yīng)變速率能夠達(dá)到102s-1，而應(yīng)變高達(dá)40。由于自身特點(diǎn)，到現(xiàn)階段仍沒(méi)有辦法直接觀察到材料流變過(guò)程，當(dāng)前主要依靠事后組織分析和計(jì)算機(jī)模擬兩種方法進(jìn)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(shù)和急停技術(shù)（攪拌針冷凍技術(shù)）。

異種材料焊接是指采用不同材質(zhì)板材進(jìn)行FSW，由于材料耐腐蝕性不同而呈現(xiàn)不同的金相組織形貌，通過(guò)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(jiàn)兩種材料在FSW過(guò)程中形成了復(fù)雜的具有渦輪狀特征的薄片夾層結(jié)構(gòu)，其中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶起到關(guān)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(yīng)流變行為。結(jié)果表明，無(wú)論是同種還是異種FSW，材料在焊核區(qū)均發(fā)生劇烈塑性變形和機(jī)械混合，但兩側(cè)流動(dòng)并不對(duì)等;在接頭中心線(xiàn)位置，前者出現(xiàn)了明顯渦流狀結(jié)構(gòu)特征，而后者則為薄片狀結(jié)構(gòu)，以上組織差異為不同材料沿?cái)嚢栳樎菁y在橫向及縱向流動(dòng)的綜合作用結(jié)果。

示蹤技術(shù)是指將異種材料嵌入工件，待攪拌摩擦加工工藝結(jié)束后追蹤標(biāo)記物位置獲得材料流變信息。Colligan等人以小鋼球?yàn)槭聚櫜牧?，采用X射線(xiàn)技術(shù)分析其在攪拌區(qū)中分布。結(jié)果表明，前進(jìn)側(cè)材料在軸肩部位經(jīng)歷攪動(dòng)，隨后沿?cái)嚢栳樕下菁y強(qiáng)制往下遷移，并在起始位置后方沉積;后退側(cè)材料則僅僅是繞攪拌針擠壓，當(dāng)它繞過(guò)時(shí)向上運(yùn)動(dòng)。Schmidt等人以薄Cu片為示蹤材料，采用三維CT技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，攪拌針在前進(jìn)側(cè)將材料帶入軸肩的空腔，在剪切力驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)至后退側(cè)，最終流出攪拌針并沉積。Reynolds等人采用5454Al標(biāo)記物對(duì)2195-T8合金FSW過(guò)程中的材料流動(dòng)行為進(jìn)行了研究，認(rèn)為攪拌摩擦加工工藝類(lèi)似于原位擠壓，其中攪拌工具的軸肩、攪拌針、墊板及攪拌區(qū)外圍的母材構(gòu)成了一個(gè)虛擬的“擠壓?！?。

急停技術(shù)是指在攪拌摩擦加工工藝過(guò)程中，突然停止攪拌頭旋轉(zhuǎn)并反轉(zhuǎn)出工件，對(duì)攪拌區(qū)材料組織進(jìn)行分析以確定流變行為。Guerra等人采用示蹤C(jī)u片和急停技術(shù)研究了6061Al的材料流變，發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)進(jìn)程：①攪拌頭前方偏前進(jìn)側(cè)材料被攪拌針拖拽并移動(dòng)，在攪拌區(qū)呈螺旋運(yùn)動(dòng)，當(dāng)經(jīng)歷一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)周期后，在攪拌針后方前進(jìn)側(cè)被剝離;②攪拌頭前方偏后退側(cè)材料，主要填充前進(jìn)側(cè)被剝離的空腔。Chen等人采用急停技術(shù)對(duì)FSW-5083Al的流動(dòng)行為進(jìn)行觀察。結(jié)果表明，塑性金屬?lài)@攪拌針形成一個(gè)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(cè)與攪拌針?lè)蛛x，之后在慣性及剪切層的擠壓力驅(qū)動(dòng)下向空腔填充，直至到達(dá)前進(jìn)側(cè)。

除了實(shí)驗(yàn)觀察方法外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，解析和數(shù)學(xué)建模的方法已成為研究和分析攪拌摩擦加工工藝過(guò)程中材料流變的一種重要手段。Deng等人應(yīng)用動(dòng)態(tài)適應(yīng)性網(wǎng)格有限元方法，模擬攪拌區(qū)材料的流動(dòng)情況。結(jié)果表明，材料均從后退側(cè)繞過(guò)攪拌針移動(dòng)到攪拌頭后方，工藝參數(shù)對(duì)金屬流動(dòng)影響較大，這與示蹤技術(shù)觀察結(jié)果相吻合。有學(xué)者比較了滑動(dòng)摩擦產(chǎn)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(nèi)的傳熱模型;他還應(yīng)用Fluent商業(yè)軟件對(duì)材料流變過(guò)程中熱-力耦合行為進(jìn)行數(shù)值模擬，給出了FSW過(guò)程中焊核區(qū)橫向壓力和垂直壓力的變化情況，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化攪拌工具設(shè)計(jì)，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)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(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)值模擬，當(dāng)前有兩種流變模型得到了廣泛關(guān)注及拓展，即動(dòng)力學(xué)模型和金屬加工模型。Nunes等人從實(shí)驗(yàn)觀察和動(dòng)力學(xué)角度，建立了物理模型，認(rèn)為攪拌摩擦加工工藝過(guò)程中存在3種的不可壓縮流場(chǎng)：①剛體旋轉(zhuǎn)場(chǎng)——熱塑化金屬在剪切力作用下，圍繞攪拌針作圓周運(yùn)動(dòng);②水平遷移場(chǎng)——熱塑化金屬在摩擦力約束下，與攪拌工具一起水平運(yùn)動(dòng);③渦流場(chǎng)——熱塑化金屬沿板厚方向做環(huán)形渦流運(yùn)動(dòng)。三種不可壓縮流場(chǎng)矢量疊加獲得兩種通量——直流通量和旋渦通量。以上分類(lèi)使攪拌區(qū)中不可見(jiàn)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)變得簡(jiǎn)單、直觀、形象。

該模型中，直流通量是指材料從前方后退側(cè)被攪拌頭捕獲，但在旋轉(zhuǎn)場(chǎng)中停留時(shí)間很短，繞過(guò)攪拌針后直接在后方沉積，相當(dāng)于經(jīng)歷了一次擠壓;而旋渦通量是指材料從前方前進(jìn)側(cè)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)-渦流場(chǎng)，經(jīng)歷了強(qiáng)烈的攪拌和混合，直至剪切力將其剝離。Nunes動(dòng)力學(xué)模型中兩種通量組合可以解釋攪拌區(qū)的織構(gòu)變化、洋蔥環(huán)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(guò)程，可分為五個(gè)部分：預(yù)熱區(qū)、初始變形區(qū)、擠壓區(qū)、鍛造區(qū)和冷卻區(qū)。首先攪拌工具旋轉(zhuǎn)摩擦預(yù)熱前端金屬形成預(yù)熱區(qū)和初始變形區(qū)，軟化金屬受迫進(jìn)入軸肩并向下流動(dòng)進(jìn)入擠壓區(qū)，隨著攪拌頭移動(dòng)，擠壓區(qū)內(nèi)熱塑性材料填補(bǔ)空腔，同時(shí)墊板和軸肩對(duì)后方材料進(jìn)行鍛造，固結(jié)，最終材料冷卻后形成致密的攪拌區(qū)。因此，Arbegast金屬加工模型主要由軸肩區(qū)、擠壓區(qū)、渦流區(qū)構(gòu)成，類(lèi)似于擠壓+鍛造一體化工藝。該模型可用來(lái)解釋由FSW參數(shù)設(shè)置不合理引起的常見(jiàn)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(duì)攪拌摩擦加工工藝過(guò)程中材料流變模型和規(guī)律的認(rèn)識(shí)還很有限，主要由于影響因素眾多，如材料類(lèi)型、攪拌工具形狀、加工參數(shù)等;此外，尚無(wú)直接觀察的實(shí)驗(yàn)手段，所以，攪拌區(qū)材料流變行為目前仍存在較多爭(zhēng)議，還有待進(jìn)一步深入研究。

4? 結(jié)論

攪拌摩擦加工是一種新型的原位鋁基復(fù)合材料的研究方法。本文從攪拌摩擦加工的工藝參數(shù)、材料流變的組織分析方法和材料流變模型三個(gè)維度探索了該工藝在原位鋁基復(fù)合材料組織性能的研究中的影響和作用。其中工藝參數(shù)包括攪拌工具的幾何形狀、冷卻方式和控制參數(shù)（旋轉(zhuǎn)速度、行進(jìn)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(shù)和急停技術(shù)（攪拌針冷凍技術(shù)）;材料流變模型最典型的是動(dòng)力學(xué)模型和金屬加工模型。在今后攪拌摩擦加工的研究過(guò)程中，針對(duì)以上幾個(gè)方面的探索將會(huì)進(jìn)一步具體化，相信攪拌摩擦加工工藝在不久的將來(lái)會(huì)有更為廣闊的應(yīng)用前景。

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