搅拌摩擦加工改性冷喷涂6061铝合金涂层的断裂行为_刘志浩.pdf

第 30 卷 第 3 期2023 年 3 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.3Mar.2023引文格式:刘志浩,王 文,韩 鹏,等.搅拌摩擦加工改性冷喷涂 6061 铝合金涂层的断裂行为 J.塑性工程学报,2023,30(3):190-196.LIU Zhihao,WANG Wen,HAN Peng,et al.Fracture behavior of cold-sprayed 6061 alumimum alloy coating modified by friction stir processing J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(3):190-196.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51974220)通信作者:王 文,男,1985 年生,博士,教授,主要从事搅拌摩擦焊接及加工研究,E-mail:wangwen2025 第一作者:刘志浩,男,1997 年生,硕士研究生,主要从事冷喷涂和搅拌摩擦加工铝合金研究,E-mail:1769730758 收稿日期:2022-04-29;修订日期:2023-01-16搅拌摩擦加工改性冷喷涂 6061 铝合金涂层的断裂行为刘志浩,王 文,韩 鹏,王快社(西安建筑科技大学 冶金工程学院,陕西 西安 710055)摘 要:采用搅拌摩擦加工(FSP)对冷喷涂(CS)6061 铝合金涂层进行表面改性,研究了改性后涂层的微观组织变化对其在静态和动态载荷下断裂行为的影响。结果表明,FSP 改性后的 6061 铝合金涂层颗粒边界消失,缺陷基本消除,晶粒显著细化,平均晶粒尺寸为 3.1 m,极限抗拉强度和伸长率分别上升 19%和 1730%。静态载荷下 CS 和 FSP 试样分别呈现脆性和韧性断裂。动态载荷下,相比 CS 试样,FSP 试样的循环周次显著提升,断口表面具有单一疲劳源,断口分区明显,呈疲劳断裂特征。FSP 后涂层缺陷的消除抑制了断裂的产生,提高了涂层强度,晶粒细化提供了更多晶界,阻碍了裂纹扩展,延长了断裂时间。关键词:6061 铝合金;冷喷涂;搅拌摩擦加工;表面改性;断裂行为中图分类号:TG306 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)03-0190-07doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.03.025Fracture behavior of cold-sprayed 6061 alumimum alloy coating modified by friction stir processingLIU Zhi-hao,WANG Wen,HAN Peng,WANG Kuai-she(School of Metallurgical Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xian 710055,China)Abstract:The surface of cold-sprayed(CS)6061 alumimum alloy coatings was modified by friction stir processing(FSP).The effects of microstructural changes of the modified coating on its fracture behavior under static and dynamic loading were investigated.The results show that after the FSP modification,the particle boundaries of 6061 alnminum alloy coatings disappear,the defects are basically elimina-ted,the grain is significantly refined,and the average grain size is 3.1 m,the ultimate tensile strength and elongation increase by 19%and 1730%,respectively.CS and FSP samples show brittle and ductile fracture,respectively under static loading.Under dynamic load-ing,compared with CS samples the number of cycles of FSP samples increases.The fracture surface has a single fatigue source,the fracture zone is obvious,showing fatigue fracture characteristics.The elimination of coating defects after FSP inhibits the generation of facture and im-proves coating strength.The grain refinement provides more grain boundaries,which hinders crack extension and extends the fracture time.Key words:6061 alumimum alloy;cold spray;friction stir processing;surface modification;fracture behavior 引言冷喷涂(Cold Spray,CS)是一种先进的固态涂层技术,被广泛应用于金属零部件的修复和保护1。它利用超音速射流将固体金属颗粒加速射向基材,依靠高速颗粒撞击产生的塑性变形实现涂层的沉积,从而避免了颗粒的氧化2。然而,CS 技术的结合机制主要为机械结合3,导致涂层存在孔隙缺陷4、组织均匀性较差5以及颗粒界面强度低6等问题,使涂层机械性能降低。搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing,FSP)是基于搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding,FSW)理论的一种塑性大变形技术7,利用搅拌头与材料接触产生的摩擦热和塑性变形来改变材料的微观结构和力学性能8,如今已发展为一种先进的表面工程技术9。目前,FSP 技术已经成功应用到 CS 涂层的表面改性,并取得了一定进展。KHODABAKHSHI B 等10利用 FSP 技术对沉积在 AZ31B 镁合金上的 AA7075 铝合金涂层进行了局部表面改性,结果发现,FSP 后沉积涂层更加致密均匀,晶粒显著细化,涂层的微观结构和机械性能均得到改善,维氏硬度提高 3 倍以上。HUANG C J等11-12先后利用 FSP 对 SiCp/5056 铝合金复合涂层和 Ni-Ti 涂层进行了表面改性,结果表明,复合涂层中 的 SiC 增 强 颗 粒 尺 寸 从 12.2 m 细 化 到4.4 m,且分布更加均匀,显微硬度由 92.5 HV 显著增加到 185.7 HV;经过 FSP 后的 Ni-Ti 涂层含有多种 Ni-Ti 金属间化合物,金属硬度为 CS 涂层的4.5 倍,且具有更好的耐磨性。上述研究表明,FSP可以显著改善 CS 涂层的微观结构和机械性能,使得涂层显微硬度和耐磨性显著提升。目前,采用 FSP 技术对 CS 涂层的改性研究大多关注微观组织的变化和静态力学性能的提升。然而,随着 CS 技术越来越广泛应用于航空航天与轨道交通,一些零件与结构件不仅需要承受较大静态载荷,还需要承受高负载频率,这可能需要百万甚至千万次循环的使用寿命13,其中,涂层的断裂失效将成为应用过程中的一个安全隐患。因此,本文利用 FSP 技术对 6061 铝合金涂层进行表面改性,并对 FSP 前后涂层在静态和动态载荷下的断裂行为进行对比研究,为优良铝合金涂层的制备提供理论基础。1 实验本实验选用商用 6061 铝合金粉末为冷喷涂原料。图 1 为 6061 铝合金粉末形貌和颗粒尺寸分布。6061 铝合金粉末呈现灰白色,大部分为不规则球状,颗粒表面较为粗糙,附着较多细小颗粒。粉末颗粒尺寸范围为570 m,平均颗粒尺寸为28.8 m。使用型号为 LERMPS-UTBM 的 CS 系统制备 6061 铝合金涂层,在 CS 前,对纯铝基板进行打磨喷砂处理。CS实验采用氩气作为粉末载气,压力为5.0 MPa,加热温度为 500,喷嘴间距 25 mm,喷枪横移速度为200 mms-1。CS 沉积层的厚度约为3 mm。如图 2a 所示,使用型号为 FSW-LM-AM16-2D的搅拌摩擦焊机对制备成功的 6061 铝合金涂层进行FSP,焊机主轴旋转速度为 1200 rmin-1,前进速图 1 6061 铝合金粉末 SEM 形貌(a)及颗粒尺寸分布(b)Fig.1 SEM morphology(a)and particle size distribution(b)of 6061 alumimum alloy powder 度为 45 mmmin-1,轴肩下压量为 0.2 mm。采用的搅拌头工具由工具钢制成,轴肩和圆柱形搅拌针直径分别为 18 和 7 mm,搅拌针长度为 2.5 mm。垂直于 FSP 加工方向切取微观组织、拉伸和高周疲劳试样。其中,由于本研究只进行了单道次 FSP 加工,使得加工区厚度为 3 mm,宽度为 18 mm。采用标准拉伸试样尺寸会使得静态载荷下的断裂发生在CS 涂层处,为了保证断裂发生在加工区,根据加工区的宽度设计了合理的拉伸试样尺寸。高周疲劳试样的尺寸根据国家标准 GB/T 26076201014设计而成,具体取样位置和样品尺寸如图 2b 所示。通过配有电子背散射衍射(Electron Backscat-tered Diffraction,EBSD)探头的场发射扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)对 CS 和FSP 样 品 进 行 微 观 组 织 表 征,使 用 keller 试 剂(95 mL 水+2.5 mL 硝酸+1.5 mL 盐酸+1 mL 氢氟酸)对用于 SEM 观察的样品进行擦拭腐蚀,腐蚀时间为 2 min。使用 90 mL 无水乙醇+10 mL 的高氯酸溶液配制的抛光液对用于 EBSD 观察的样品进行电解抛光。拉伸实验和高周疲劳实验在型号为 Instron-191 第 3 期刘志浩 等:搅拌摩擦加工改性冷喷涂 6061 铝合金涂层的断裂行为图 2 FSP 示意图(a)及取样位置和尺寸(b)Fig.2 Schematic of FSP(a)and locations and dimensions of sampling(b)8801 的疲劳试验机上完成,拉伸实验的拉伸速率为图 3 CS 和 FSP 试样的 SEM 图和反极图(a)CS,SEM 图(b)FSP,SEM 图(c)CS,反极图(d)FSP,反极图Fig.3 SEM figure and IPF of CS and FSP samples(a)CS,SEM figure(b)FSP,SEM figure(c)CS,IPF(d)FSP,IPF1.010-3 s-1,平行试样的数量取 3 个。高周疲劳实验载荷选择恒幅正弦波形,应力比 R=0.1,加载频率 f=15 Hz,测定动态载荷应力下试样发生断裂的循环周次。采用 SEM 对拉伸断口和疲劳断口进行观察分析。2 结果和分析2.1 微观组织和拉伸性能图 3a 和图 3b 分别为 CS 和 FSP 试样的 SEM 形貌图。可以看出,CS 试样颗粒与颗粒之间边界明显,且在颗粒边界处