攪拌摩擦加工研究進展

攪拌摩擦加工研究進展

攪拌摩擦加工技術（fps）是根據攪拌摩擦焊接（fsw）的基礎開發(fā)的。FSW是Thomas等人于1991年開發(fā)的專利技術,是針對焊接性差的鋁合金開發(fā)的一種新型固相焊接工藝。2001年,美國密蘇里大學的Mishra博士基于FSW原理,提出一種用于材料微觀組織改性和制造的方法,稱為攪拌摩擦加工。其基本思想是,利用攪拌頭所造成加工區(qū)材料的劇烈塑性變形、混合、破碎和熱暴露,實現(xiàn)微觀結構的致密化、均勻化和細化。采用該技術制備晶粒尺寸為納米級的細晶鋁合金,其強度和塑性都得到很大提高。從原理上講,FSW也是FSP的一類。但從發(fā)展時間來說,FSW概念的提出遠遠早于FSP,故未將FSW歸入FSP。目前,FSP已在金屬微觀組織細化、超塑性材料制備、表面復合材料以及納米相增強金屬基復合材料等方面取得了應用。本工作主要對攪拌摩擦加工工藝、加工對性能的影響及其在制備復合材料及合金等方面的研究做了比較詳盡的綜述,并指出攪拌摩擦加工研究進程中存在的主要問題、發(fā)展前景及今后的研究方向。1攪拌頭的形貌研究FSP工藝參數包括攪拌頭旋轉速度、攪拌頭移動速度(加工速度)、攪拌頭傾斜角度、攪拌頭形狀等。根據FSP的技術特點,還有與FSW不同的參數,如加工道次、多道搭接率等。另外,研究者還在FSP具體實現(xiàn)形式上進行了新的探索。Karthikeyan等研究了FSP工藝對2285鑄造鋁合金微觀結構和機械性能的影響,選用的旋轉速度為1400和1800r/min,加工速度為10、12和15mm/min。與母材相比,加工后材料的屈服強度和抗拉強度提高了30%,延展率達母材的4倍。當旋轉速度為1800r/min、加工速度為12mm/min時,得到的機械性能最高。平板對接FSW時,攪拌頭沿試板對接面行走,攪拌擠壓形成一條焊縫。焊縫中心的焊核區(qū)晶粒明顯細化。FSP時,為了使攪拌頭能對整個大范圍待加工區(qū)域攪拌,形成組織和性能優(yōu)異的材料,常沿一定間距的水平線路進行多道FSP,每道中心的間距稱為搭接率(OverlapRatio,簡稱OR),其定義為:式中,l為每道中心間距,dpin為攪拌針的最大直徑。圖1為材料多道FSP的表面形貌。圖2為鋁合金不同道次和搭接率的橫截面形貌。圖2a~2e分別對應的參數為一道(OR=1)、四道(OR=1)、三道(OR=1/2)、三道(OR=0)、二道(OR=–1)。Johannes等研究了多道加工對7075鋁合金超塑性行為的影響,發(fā)現(xiàn)多道加工能制得大范圍超塑性材料,7075鋁合金經多道FSP后材料超塑性變形的主要機制是晶界滑移。Ma等也研究了多道FSP對7075鋁合金微觀結構和超塑性行為的影響。發(fā)現(xiàn)多道加工對材料的再結晶晶粒尺寸并沒有明顯影響。與單道相比,兩道FSP提高了每道中心區(qū)的最適宜超塑性應變速率,降低了中心區(qū)和道間過渡區(qū)的最適宜超塑性溫度。材料的延展性得到了提高,在480℃,1×10-2s-1初始應變率條件下測得中心區(qū)最大延展性可達1220%。即使在多道間的過渡區(qū),延展性也達820%,這說明能用多道FSP制備大尺寸的超塑性材料。對于純鎂或一些合金成分含量較低的固溶強化鎂合金如AZ31,由于存在單相晶?？焖匍L大的結晶動力學特點,很難得到超細晶粒結構。為解決這一問題,Chang等提出了兩步FSP法。即在同一位置連續(xù)進行兩步FSP,先采用大熱輸入量工藝,再采用小熱輸入量工藝。在該研究中,第1步的攪拌頭軸肩直徑、攪拌針直徑和攪拌針長度分別為10、3和3mm,第2步的攪拌頭軸間直徑、攪拌針直徑和攪拌針長度分別為6、2和2mm。兩步的旋轉速度為1000r/min,加工速度為37mm/min,傾斜角度為1.5o。通過對AZ31鎂合金兩步FSP制得納米級Mg-Al-Zn合金,其平均晶粒尺寸約為85nm。加工區(qū)顯微硬度達1.5GPa,是基體的3倍。在FSW試驗中,為消除未焊透缺陷,設計攪拌頭時攪拌針長度與被焊試板相當。但在FSP中,根據被加工區(qū)域深度的不同,Nascimento等將FSP分為整體FSP(thein-VolumeFSP,簡稱VFSP)和表面FSP(theSurfaceFSP,簡稱SFSP)。SFSP只對試板距表面2mm深度范圍內進行加工。用不同形貌攪拌頭分別在7072-T6和5083-O2種鋁合金中進行VFSP和SFSP試驗,由于加工后晶粒細化,因此塑性提高,材料延展性明顯提高。圖3為4種不同形式的攪拌頭形貌。其中圖3a中攪拌頭的攪拌針為帶3個縱向螺旋通道的圓錐螺紋,圖3b中攪拌頭攪拌針為圓柱螺紋,圖3c中攪拌頭沒有攪拌針,為軸肩上帶有4根不連續(xù)的厚度為1.5mm條帶,圖3d中攪拌頭為軸肩上3個球面凸點。實驗發(fā)現(xiàn),錐形螺紋攪拌針更適合于VFSP,選用OR=1/2進行平行多道加工能保證整個區(qū)域完全被加工均勻。漩渦條帶狀攪拌頭比較適合于SFSP。要得到一個均勻的加工區(qū)域,5083-O鋁合金需要在同一位置上加工至少3道,而對熱處理強化鋁合金7022-T6只要1道。由于平衡力不集中,帶有3個半球形攪拌針的攪拌頭并不能對材料進行FSP。經FSP后,晶粒尺寸明顯細化,將原晶粒尺寸為160μm的7022-T6細化至平均晶粒尺寸為7.1μm,原晶粒尺寸為106μm的5083-O細化至5.9μm。圖4是母材、SFSP、VFSP經彎曲實驗后試樣形貌?？梢钥闯?與母材相比,FSP加工后材料延展性明顯提高,尤其是在7022-T6中,VFSP加工后試樣的最大彎曲角和形變能分別是母材的12和25倍。為了減少摩擦熱對晶粒長大的影響,Douglas等對FSP進行了改進,將整個實驗放在水中進行,稱之為水浸FSP,圖5為實驗裝置圖。由于有水對試板進行冷卻,可以限制再結晶和晶粒長大。制得的鋁合金FSP材料的晶粒尺寸小于200nm。研究者預計,如將水改成其它冷卻能力更強的液體,則晶粒尺寸可小于100nm。2混凝土摩擦加工對材料性能的影響2.1超細晶粒fsp加工FSP對材料的微觀結構改性包括細化基體晶粒、打碎枝晶和第二相、消除鑄造孔洞缺陷,從而提高材料的強度、顯微硬度、疲勞性能和耐腐蝕性能。普通Al2Si2Mg合金鑄件由于存在呈針狀的粗大Si相和枝晶以及縮孔、疏松宏觀缺陷,導致其力學性能,尤其是塑性和疲勞性能較低。傳統(tǒng)上采用各種化學改性和熱處理方法對其進行改性處理,然而這些方法不僅工序繁雜,且不能完全消除鑄造孔洞,也很難使微觀組織完全均勻化。Santella等對A319和A356鑄造鋁合金進行了FSP,發(fā)現(xiàn)能彌合鑄造孔洞、使第二相粒子分布更加均勻,攪拌加工區(qū)的微觀枝晶被破碎,最大抗拉強度、延展性和疲勞性能都得到提高。Su等用FSP方法將7075鋁合金的晶粒尺寸細化到了亞微米級(~250nm)。劉峰超等人通過FSP直接將鑄態(tài)7075鋁合金組織轉變成細小均勻的等軸晶。Ma等分析認為,適合FSP的合金系有Al-Si-Mg(Cu)鑄造鋁合金(通過打碎和重布粗大硅粒子、細化基體晶粒、消除鑄造孔洞缺陷)、7xxx和2xxx系列高強鋁合金(細化晶粒,得到超塑性材料)。FSP對鎂合金具有雙重作用:細化和均質化鑄造結構、熔解β相。因此,包含粗大β相的鎂合金均適合進行FSP來優(yōu)化性能。對于Mg-Zn-Zr(ZK)系列鎂合金,鑄造組織為沿晶界分布的偽共晶組織(Mg3Zn2+α-Mg),通過FSP,將使鑄造組織細化和均質化、Mg3Zn2熔解。對于耐熱鎂合金,熱穩(wěn)定相Al2Ca、Mg3Zn6Y、Mg3Zn3Y2和Mg14Nd2Y是粗大的、呈不均勻分布,加工后會改變相的分布和形態(tài)。對于鑄造鋁合金和鎂合金,可通過提高熱輸入量或多道加工來打碎枝晶和第二相、細化基體晶粒、消除氣孔、分解大部分沉淀相,從而得到組織均勻、無氣孔的鍛造組織。對于鑄造Ti-6Al-4V鈦合金,FSP能細化原來的粗大片狀組織,從而提高材料的屈服強度和抗疲勞裂紋強度。Morisada等在SKD11工具鋼上進行了激光熔覆和FSP試驗,發(fā)現(xiàn)在激光處理后的SKD11材料上進行FSP后,其微觀結構達到納米尺寸,基體尺寸約為200nm,細小的M7C3碳化物尺寸約為100nm,即使在含有大量殘余奧氏體的試樣中,其維氏硬度值也高達9000MPa。Sharma等研究了經FSP后鑄造鋁合金的疲勞裂紋擴展行為,發(fā)現(xiàn)經加工后Si粒子的形態(tài)和分布發(fā)生了變化,而Si粒子尺寸和枝晶間距會影響合金的疲勞性能。FSP明顯改善了A356鋁合金的疲勞裂紋擴展特征,斷裂韌性得到提高,裂紋擴展阻力加大。斷裂韌性增大30%以上,在T6態(tài)下,增大值在50%以上。經FSP后材料中細小的硅粒子將增加裂紋的曲折程度,這使裂紋在基體中鈍化,減緩了裂紋擴展速率。Surekha等研究了2219鋁合金多道FSP后的微觀結構和腐蝕行為。加工后,組織為細小的α-Al,共晶CuAl2和CuAl2沉淀相有減少和分解現(xiàn)象。陽極極化曲線和在3.5%NaCl溶液中進行的電阻抗實驗顯示,隨加工道次的增加,材料的耐腐蝕性增加。鹽霧實驗也顯示FSP提高了材料的耐腐蝕性能。CuAl2的分解使得材料抗應力腐蝕性能得到提高。Surekha又研究了2219鋁合金FSP工藝參數對材料腐蝕行為的影響,發(fā)現(xiàn)攪拌頭旋轉速度會影響沉淀相的打碎和熔化程度,是影響腐蝕速率的一個主要因素。FSP加工速率對腐蝕行為影響不大。2.2超塑性和晶界滑移超塑性在汽車、航空等領域的整體部件成型中獲得日益廣泛的應用。傳統(tǒng)細晶超塑性鋁合金的制備采用熱機械加工手段,不僅工序繁雜、制備成本高,而且通常最佳超塑性應變速率為1×10-4~1×10-3s-1,對于大規(guī)模工業(yè)化生產,生產效率太低;超塑性通常只能在高溫下實現(xiàn),既浪費能源,又導致成型后工件性能降低。因而,近年來大量的研究致力于發(fā)展新的細晶鋁合金制備技術,如等徑角擠壓、疊軋復合等。FSP是一種全新的超塑性細晶鋁合金制備技術。Ma等研究了Al-Mg-Zr鋁合金FSP加工后在高應變速率下的超塑性行為,發(fā)現(xiàn)在Al-4Mg-1Zr合金中,加工區(qū)域分布著細小的Al3Zr彌散相,材料晶粒尺寸為1.5μm。超塑性明顯提高,在1×10-1s-1和525℃條件下,超塑性達到1280%。Charit等研究了FSP制備的超細晶粒Al-Zn-Mg-Sc合金的低溫超塑性,晶粒尺寸為0.68μm,在應變速率為3×10-2s-1和310℃條件下,最佳延展性為1165%。Liu等研究了Al-Zn-Mg-Cu鋁合金FSP后的低溫超塑性行為,發(fā)現(xiàn)在200~350℃時的低溫超塑性達350%~540%。當應變速率為1×10-2s-1、溫度為350℃時,材料的最佳延展性達到540%。在不同溫度下最大超塑性的應變速率敏感系數為0.33~0.42,在200℃低溫下觀察到了晶界滑移現(xiàn)象。Liu等又用FSP法制得了微晶Al-Mg-Sc合金,其晶粒尺寸為2.6μm。在450℃和1×10-1s-1高應變速率條件下,最大延伸率可達2150%。盡管FSP后材料的晶粒尺寸比等徑角擠壓等方法制得的更大,但其在更高的拉伸應變速率下得到的超塑性指標與其它方法相當。Wang等發(fā)現(xiàn),典型的熱擠壓Al-Mg-Zn鋁合金體現(xiàn)出屈服強度與晶粒尺寸密切相關,關系式為σ0.2=80+303d-1/2,而同樣材料,經攪拌摩擦加工后,這種依賴關系減弱,關系式為σ0.2=10+160d-1/2。TomotakeHirata等研究了Zn-22%Al(質量分數)合金經FSP后的變形行為與微觀組織演變的關系,發(fā)現(xiàn)在室溫下經FSP后的材料與原材料的變形機制一樣,但在高應變速率下FSP材料的失效延展性明顯高于原材料。其原因主要為FSP導致的微觀組織演化。在2種試樣上都存在晶界滑移,晶界滑移對總的應變的貢獻并不取決于數量。但可以認為,經FSP后材料的晶界滑移總量與原材料不同。由于晶界滑移會導致在三聯(lián)晶晶界處出現(xiàn)應力集中,而對于連續(xù)的晶界滑移,它會緩解應力集中。這是由于晶界擴散和晶格自擴散促進了位錯的運動,緩解了應力集中。所以,晶界結構影響著晶界滑移,滑移在大角度和無規(guī)則晶界上發(fā)生。此外,發(fā)生在合金中Zn-Al界面的晶界滑移最多,但在Zn-Zn界面發(fā)生的晶界滑移總量與前者相當,或略小一點。在大應變速率條件下,由于沒有足夠的時間進行晶界擴散,母材的晶界滑移總量比FSP后的少。3多壁納米碳管增強復合材料研究者用納米碳管作為增強纖維添加到各種材料。除了有好的化學和熱穩(wěn)定性外,碳納米管還體現(xiàn)出高的彈性模量和屈服強度,單壁和多壁碳納米管的彈性模量可達1TPa,屈服強度可高達50GPa。這些都為碳納米管作為增強纖維提供了很大的潛力。有研究者成功將碳納米管應用到聚合物和陶瓷增強中,但由于碳納米管與金屬基體的界面結合差,影響了這些復合材料的機械性能,故很少應用到金屬基復合材料中。此外,碳納米管的纏結會降低它在基體中分布的均勻性,從而起不到預想的效果?？赡艿募{米結構破壞及它與基體之間的化學反應都將會降低復合材料的機械性能。這些都對碳納米管增強金屬基復合材料的制備提出了挑戰(zhàn)。研究者提出了一系列制備該復合材料的方法,如等徑角擠壓法、機械合金化,但均有不足。球磨法會導致納米結構的破壞。熔鑄法,包括壓鑄法能提高納米相的分布和復合材料的機械性能,但很少用這種方法去制備復合材料。與其它方法相比,FSP法不需多步工藝,只須將納米管預置于基體中,便可進行加工。Zarghani等將納米級Al2O3添加到6082鋁合金中,用FSP法在基體表面形成一層顆粒增強復合層。發(fā)現(xiàn)提高加工道次能提高顆粒在基體中分布的均勻性,表面復合層的顯微硬度達基體的3倍,耐磨性也得到明顯提高。顆粒增強復合材料的耐磨性為鋁基體的2~3倍。耐磨性提高的原因是摩擦系數降低及表面硬度提高的共同作用。Morisada等用FSP法制得多壁納米碳管增強AZ31鎂合金。增強復合材料的晶粒小于單純用FSP后的材料晶粒,表明添加多壁納米碳管可有效制備細晶復合材料。由于基體晶粒的細化和納米碳管的增強,FSP制得的納米碳管增強復合材料的最大維氏硬度約為780MPa,約是基體AZ31硬度的2倍。Lim等用FSP法合成了多壁納米碳管增強鋁基復合材料。SEM、TEM分析顯示納米碳管嵌入攪拌加工區(qū),經熱機聯(lián)合作用后,它們的多壁微觀結構仍然存在。將攪拌頭旋轉速度從1500r/min提高到2500r/min,增大軸肩的下壓量可以提高納米碳管在鋁基體中分布的均勻性。研究者還將FSP應用到非納米級顆粒增強金屬基復合材料的制備領域。Mishra等用FSP在5083鋁合金表面1mm左右范圍內添加SiCp,在鋁合金表面形成一層復合材料。當SiCp含量在27%(體積分數)時,復合層的顯微硬度達到母材的2倍。Tewari等研究了FSP對不連續(xù)增強鋁基復合材料的增強體SiCp的空間均質性的影響,結果表明FSP明顯改變了材料的微觀結構,包括降低了有規(guī)則的空間異質和微觀各向異性以及FSP區(qū)中增強體的重新取向。這些改變極大影響了復合材料的抗拉強度和延展性。Wang等用FSP技術制得SiCp增強鋁基復合材料,SiCp在5mm×2mm范圍的接頭橫截面上均勻分布,并與基體結合良好。在加工區(qū),SiCp超過1.5%,在上表面的顆粒尺寸小于100μm。在距表面1.0mm處,復合材料的維氏硬度達880MPa。Morisada等用FSP法制備了SiCp/AZ31復合材料,發(fā)現(xiàn)SiCp的添加導致了材料晶粒的細化,復合區(qū)的維氏硬度達800MPa。Morisada等用FSP法成功將富勒烯作為增強體添加到5083鋁合金中。分散的富勒烯在加工中使得材料發(fā)生再結晶,細化了晶粒,晶粒尺寸約為200nm。晶粒細化及分散的富勒烯分子使材料的顯微硬度明顯提高。Hu等將Zn顆粒用FSP法添加到工業(yè)純鋁中,制得了超細晶Al-Zn合金,研究材料的抗拉強度和延展性。實驗發(fā)現(xiàn),當Zn含量從0%增加到15%(質量分數)時,由于拉伸初始階段加工硬化率增大及大量易滑移帶的存在,材料的拉伸延展性從10%增至30%以上。Hsu等用FSP制備了超細晶Al2Cu原位增強鋁基復合材料,Al2Cu顆粒均勻分布于基體復合材料中,復合材料的楊氏模量和耐壓強度均有很大提高,楊氏模量達88GPa,耐壓強度中的屈服強度為450MPa,極限強度為650MPa。Hsu等還通過將Al-Ti混合粉末作為增強體用FSP法制備出大比例(可至50%,體積分數)納米Al3Ti顆粒增強鋁基復合材料,該方法受FSP的熱作用和鋁與鈦的化學放熱反應的聯(lián)合作用。采用FSP法制備該原位金屬間化合物增強復合材料時,大變形促使增強相的混合和細化程度,溫度的提高有利于原位生成金屬間化合物相的變形,2種熱的聯(lián)合作用使得形成更充分的增強相。由于細小彌散分布的增強相Al3Ti,使得基體晶粒呈亞微米級,復合材料的楊氏模量和強度得到提高。Dixit等用FSP法制得了NiTi顆粒增強鋁基復合材料,增強顆粒在基體中分布均勻,與基體結合力強,沒有產生界面產物。當工藝合適時,NiTi顆粒的形狀記憶效應能減緩基體的拉應力和壓應力。張麗攀和柯黎明等用FSP制備了Al-Ni系金屬間化合物,生成的金屬間化合物相有Al3Ni和AlNi3。黃春平等用FSP制備了Al-Ti系金屬間化合物,生成的金屬間化合物相為Al3Ti,均勻分布于基體純鋁上,其質量分數達44.5%。利用FSP的熱、力耦合作用和基體與合金粉末的原位反應,在Al-Ni系和Al-Ti系金屬間化合物的制備方法上進行了探索。4fsp法合成金屬基復合材料的研究FSP技術的開發(fā)和應用才剛剛開始,有巨大的潛在應用前景,但許多問題有待深入研究。Charit等對A