水下搅拌摩擦加工制备CoC...Al复合材料组织和性能研究_王智.pdf

第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:王 智,王 文,张志娟,等.水下搅拌摩擦加工制备 CoCrFeNiMn/6061Al 复合材料组织和性能研究 J.塑性工程学报,2023,30(2):223-230.WANG Zhi,WANG Wen,ZHANG Zhijuan,et al.Study on microstructure and properties of CoCrFeNiMn/6061Al composites prepared by underwater friction stir processing J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(2):223-230.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51974220);国家重点研发计划(2021YFB3700902);陕西省杰出青年科学基金资助项目(2022JC-24)通信作者:王 文,男,1985 年生,博士,教授,主要从事金属材料加工研究,E-mail:wangwen2025 第一作者:王 智,男,1994 年生,硕士,主要从事金属材料加工研究,E-mail:1115002290 收稿日期:2022-03-25;修订日期:2022-12-08水下搅拌摩擦加工制备 CoCrFeNiMn/6061Al 复合材料组织和性能研究王 智1,2,王 文1,2,张志娟1,2,韩 鹏1,2,方 园1,2,张 婷1,2,王快社1,2(1.西安建筑科技大学 冶金工程学院,陕西 西安 710055;2.西安建筑科技大学 功能材料加工国家地方联合工程研究中心,陕西 西安 710055)摘 要:采用水下搅拌摩擦加工制备 CoCrFeNiMn 高熵合金颗粒增强 6061-T6 基复合材料,研究了时效热处理对 CoCrFeNiMn/6061Al 复合材料微观组织、显微硬度和磨损性能的影响。采用扫描电镜和电子背散射衍射技术对复合材料的微观组织进行了表征,采用显微硬度和磨损实验对复合材料的性能进行了评价。结果表明,经 5 道次搅拌摩擦加工后,CoCrFeNiMn 高熵合金颗粒均匀分布在 Al 基体中,且与基体界面结合良好,无明显扩散层。时效热处理后,CoCrFeNiMn 高熵合金颗粒与基体界面出现厚度约为 200 nm 的扩散层,复合材料的平均显微硬度达到120.0 HV,比 Al 基体提高了27.7%。与 Al 基体相比,复合材料的平均摩擦因数从 0.4491 升高至 0.4855。时效热处理后,复合材料的平均摩擦因数降低至 0.3188,主要磨损机制为磨粒磨损。关键词:搅拌摩擦加工;高熵合金;Al 基复合材料;微观结构;磨损性能中图分类号:TG146.21 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0223-08doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.026Study on microstructure and properties of CoCrFeNiMn/6061Al composites prepared by underwater friction stir processingWANG Zhi1,2,WANG Wen1,2,ZHANG Zhi-juan1,2,HAN Peng1,2,FANG Yuan1,2,ZHANG Ting1,2,WANG Kuai-she1,2(1.School of Metallurgical Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xian 710055,China;2.National and Local Join Engineering Research Center for Functional Materials Processing,Xian University of Architecture and Technology,Xian 710055,China)Abstract:CoCrFeNiMn high-entropy alloy(HEA)particle reinforced 6061-T6 matrix composites were prepared by underwater friction stir processing(FSP),and the effects of aging treatment(AG)on the microstructure,microhardness and wear properties of CoCrFeN-iMn/6061Al composites were studied.Scanning electron microscope(SEM)and electron back-scatter diffraction(EBSD)techniques were used to characterize the microstructure of the composites,and microhardness and wear experiments were used to evaluate the proper-ties of the composites.The results show that after 5 passes of FSP,the CoCrFeNiMn HEA particles are uniformly distributed in the Al ma-trix and bonded well with the matrix interface without obvious diffusion layer.After AG,the diffusion layer with thickness of about 200 nm appears at the interface between CoCrFeNiMn HEA particles and the matrix,and the average microhardness of the composites rea-ches 120 HV,which is 27.7%higher than that of the Al matrix.Compared with the Al matrix,the average friction factor of the compos-ites increases from 0.4491 to 0.4855.After AG,the average friction factor of the composites decreases to 0.3188,and the main wear mechanism is abrasive wear.Key words:friction stir processing;high-entropy alloy;Al matrix composites;microstructure;wear property 引言颗粒增强铝基复合材料因其比强度高、硬度高和耐磨性能良好而受到广泛关注1。常见的增强体如 B4C 和 Al2O3等2-3,尽管可以显著提高铝基复合材料的强度和硬度,但是由于其与铝基体的热膨胀系数差异较大,界面结合性差,从而可能导致铝基复合材料的塑性和韧性不佳4-5。金属玻璃颗粒作为增强相不易与 Al 基体发生界面反应,同时与铝基体界面的润湿性较好,但金属玻璃自身易受高温、高压等外界能量影响,会从亚稳态转变为稳态晶体6,导致复合材料力学性能不稳定。而高熵合金(High-entropy Alloys,HEA)作为一种新型金属合金7,由 5 种或多种元素以稳定固溶体形式存在,具有高强度、高硬度和高耐磨性等优点。此外,高熵合金颗粒与铝基体润湿性好,不易发生界面反应,同时自身稳定性高。因此,HEA 颗粒有望成为高性能铝基复合材料的理想增强体。HEA 颗粒增强铝基复合材料的制备技术有多种。WANG Z W 等8采用热挤压法制备了 FeNi-CrCoAl3/2024Al 复合材料,发现挤压过程中有 Al3Fe和 Al6Fe 等脆性化合物析出,复合材料压缩率仅达到 Al 基体的 18%。张瑞祥9采用固-液结合的方法制备出 Al/AlCoCrFeNi2.1复合材料,发现界面层生成 Al2Fe 和 AlNi 等脆性金属间化合物,导致界面结合强度降低。MENG G 等10采用激光熔融注射法在AZ91D 表面制备了 AlCoCrCuFeNi 高熵合金涂层,但是界面处生成 CuMg2脆性相,导致干滑动磨损性能未达到预期效果。因此,如何避免增强颗粒与 Al 基体的界面不良反应成为颗粒增强铝基复合材料的关键问题。再者,上述工艺复杂,所制备的复合材料内部容易产生颗粒分布不均、裂纹等缺陷,从而降低复合材料的力学性能。搅拌摩擦加工(Friction Stir Process,FSP)11是一种固相塑性变形技术,可通过细化、均匀化和致密化微观结构来提高复合材料的综合性能。目前,该技术已被用于制备 Al12、Mg13和 Cu14基复合材料。GAO J C 等15使用 FSP 技术制备了界面结合良好、无脆性化合物的 FeCoNiCrAl/5083 复合材料,其硬度比 5083Al 基体提高了 102%。LI J 等16采用FSP 制备了 Al0.8CoCrFeNi/5083Al 复合材料,发现界面形成了有助于结合的新 HEA(Al0.3CoCrFeNi)相,使复合材料抗拉强度相比未添加 HEA 颗粒的提高了 22%。HAN P 等17也得到了相似的结论。综上,FSP 可制备界面结合良好、性能优异的 HEA 颗粒增强铝基复合材料。值得注意的是,虽然 FSP 过程中的热输入较低,但仍有部分增强相颗粒与基体发生反应18。因此,采用水下 FSP 降低其热输入,抑制增强颗粒与铝基体界面不良反应是一种行之有效的方法。然而到目前为止,水下 FSP 制备高熵合金颗粒增强铝基复合材料的研究很少,其组织性能变化规律尚不明确。本研究采用水下 FSP 制备了 CoCrFeN-iMn/6061Al 复合材料,并对其进行时效热处理(Ag-ing Treatment,AG),研究了 HEA 颗粒对 Al 基体微观组织演变、显微硬度和磨损性能的影响。1 实验材料和方法1.1 实验材料本实验以尺寸为 200 mm80 mm5 mm(长宽厚)的 6061-T6 铝合金板为基体,等原子比的CoCrFeNiMn 高熵合金颗粒作为增强相。Al 基体的化学成分如表 1 所示。HEA 颗粒呈现球形,平均尺寸为 17 m(图 1)。表 1 6061-T6 铝合金化学成分(%,质量分数)Tab.1 Chemical compositions of 6061-T6 aluminum alloy(%,mass fraction)元素MgSiCuFeZnCrMnAl含量1.10.670.280.30.050.230.12余量1.2 水下 FSP 制备复合材料图 2 为水下 FSP 制备 CoCrFeNiMn/6061 复合材料示意图。首先,沿板材中心线加工一排 1.5 mm盲孔(深度为3.5 mm,间距为2.5 mm),将10%的HEA 颗粒填充到孔中,如图 2a 所示。再利用 FSW-LM-BM16 型搅拌摩擦焊机进行 FSP。先使用直径为10 mm 的无针搅拌工具进行预 FSP,以防止 FSP过程中颗粒溢出基体。水下 FSP 过程中,通过进水口向循环水池中蓄水,如图 2b 所示(PD、TD 和ND 分别代表加工方向、横向和法向),直至水面高于材料表面约 20 mm,通过控制进水流量保持循环水池内蓄水量不变,