旋转摩擦挤压制备MWCNTs/Al复合材料的组织及磨损性能

樊 浩,邢 丽,叶 寅,柯黎明,傅徐荣

(南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室，南昌 330063)



旋转摩擦挤压制备MWCNTs/Al复合材料的组织及磨损性能

樊 浩,邢 丽,叶 寅,柯黎明,傅徐荣

(南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室，南昌 330063)

采用旋转摩擦挤压(RFE)法制备多壁碳纳米管增强铝基(MWCNTs/Al)复合材料，分析MWCNTs/Al复合材料的显微组织、硬度和磨损性能。结果表明:用RFE法可制备具有一定形状尺寸的块体MWCNTs/Al复合材料；复合材料的成形质量好，显微组织为经动态再结晶后的细小等轴晶，MWCNTs在铝合金基体中分布均匀。复合材料的硬度随着MWCNTs体积分数增加先增加后降低，当MWCNTs体积分数为4%时，硬度是经RFE加工后基材的1.2倍。MWCNTs在复合材料磨损过程中起润滑作用，有助于降低MWCNTs/Al复合材料的磨损量提高复合材料的耐磨性。随MWCNTs体积分数的增加，复合材料的磨损率降低，当MWCNTs体积分数大于3%后磨损率变化较小。这是由于MWCNTs体积分数的增加，磨损机制发生变化，即由黏着磨损和轻微磨粒磨损转变为剥层磨损和磨粒磨损。

旋转摩擦挤压；复合材料；显微组织；磨损性能；磨损机理

碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNTs)具有很好的力学性能，将其加入金属基体中，会提高金属的强度、硬度及磨损性能等，这些性能的优化与制备方法、CNTs在复合材料中的含量等有关[1-6]。有学者采用粉末冶金法制备了CNTs增强铝基复合材料，Ali等[7]发现CNTs可提高复合材料的耐磨性，但是当CNTs体积分数达到5%时，复合材料的硬度和耐磨性出现下降，主要原因是CNTs在晶界处发生偏聚，且复合材料的磨损表面存在分层机制。姜金龙等[8]发现当CNTs质量分数为2%时，复合材料硬度比纯铝基体提高了约80%，且复合材料磨损率较低。Choi等[9]发现当CNTs体积分数为4.5%时，复合材料的屈服强度达到600MPa，摩擦因数减小到0.1。赵霞等[10]采用搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing, FSP)制备CNTs增强铝基复合材料，发现CNTs与基体结合良好，并对基材有明显强化作用。涂文斌等[11]采用FSP制备多壁碳纳米管(Multi-walled Carbon Nanotubes，MWCNTs)增强铝基复合材料，结果表明MWCNTs与铝基体界面结合处分布有大量位错，当MWCNTs体积分数为6%时复合材料硬度为63.4HV，为纯铝基体硬度的1.9倍。FSP制备复合材料比粉末冶金等方法有较大的优势，但仍存在不足，例如只是在搅拌摩擦区形成复合材料，其余部分均为母材，材料利用率低，制备材料的成形难以控制。

旋转摩擦挤压(Rotational Friction Extrusion, RFE)法是本课题组根据FSP的原理，开发出来的一种材料固态加工技术，通过摩擦挤压产生的热和塑性变形来混合材料，可形成晶粒细小，组织均匀，力学性能较好的块体复合材料[12]。该方法具有材料利用率高，加工制备工序简单，可制备出不同截面尺寸的块体复合材料的特点。

林毛古等[13]采用RFE法制备MWCNTs增强铝基复合材料，结果表明其组织均匀、晶粒细小，且无明显缺陷。本工作采用RFE法制备多壁碳纳米管增强铝基(MWCNTs/Al)复合材料，对复合材料的显微组织、硬度和磨损性能进行分析研究。

1 实验材料与方法

实验采用的基材为5A06-H铝合金板材，尺寸为100mm×15mm×10mm，化学成分见表1。增强相为深圳市纳米港有限公司制备的MWCNTs，长度为10～30μm，直径为20～30nm，纯度>95%。

表1 5A06铝合金化学成分(质量分数/%)

图1为用RFE法制备复合材料的原材料试样示意图。按照图中所示在基材表面沿中心线每隔6mm打直径为3mm、深度为9mm的盲孔。在试样中填充不同质量的MWCNTs，制备出体积分数为1%～5%的MWCNTs/Al复合材料。将添加碳纳米管的原材料试样，放置于自主研制的旋转摩擦挤压装置中进行RFE加工。图2为RFE制备方法原理示意图，其制备过程为：将待加工的试样放入挤压模具盖上压板，在挤压块的挤压作用下试样与高速旋转的搅拌棒接触后，摩擦并产热，使受到摩擦挤压的金属温度升高而塑化，塑化的金属在搅拌棒和挤压块的共同作用下，从出料口挤出，形成棒状复合材料。实验中搅拌棒的旋转速率为315r/min，挤压头的挤压速率为0.28mm/s。

图1 原材料试样Fig.1 The sample for original material

图2 RFE制备方法原理图Fig.2 The schematic of RFE process

制备棒状MWCNTs/Al复合材料横截面的金相试样，用光学显微镜观察显微组织。在HVS-1000型显微硬度仪上沿试样周向和径向测试显微硬度，取其平均值。

在CFT-1型显微磨损试验机上，采用SiN对磨球以滑动方式在棒状复合材料的横截面上进行摩擦实验。对磨球直径为5mm。摩擦载荷为4.7N，摩擦半径为1.75mm，摩擦盘旋转速率为300r/min，摩擦时间为30min。采用失重法计算实验磨损量。用FEI QUANTA200型扫描电子显微镜观察复合材料的磨损表面，并进行能谱分析。

2 结果与分析

2.1 复合材料成形及组织

采用RFE方法制备出了直径为8mm，长度为210mm的棒状MWCNTs/Al复合材料。图3为经RFE加工后基材和MWCNTs/Al棒状复合材料的表面形貌。由图3可见，制备的复合材料表面较光滑、尺寸均匀、无缺陷。

图4为复合材料横截面的显微组织。图4(a)为未经过加工的H态基材的显微组织，图4(b)，(c)分别为3%和5%MWCNTs/Al复合材料的显微组织。由图4可见，经过RFE加工后复合材料的组织较H态基材均匀，晶粒更细小。图4(c)较图4(b)中晶粒更加细小，即CNTs增多，晶粒更加细小，但有团聚的MWCNTs，如箭头所指处。

图3 经RFE加工后的材料表面形貌(a)基材；(b)MWCNTs/Al复合材料Fig.3 Appearance of material by RFE process(a)matrix material;(b)MWCNTs/Al composite

图4 复合材料的金相显微组织(a)H态基材；(b)3%MWCNTs/Al复合材料；(c)5%MWCNTs/Al复合材料Fig.4 Microstructure of the composite (a)matrix material(H);(b)3%MWCNTs/Al composite;(c)5%MWCNTs/Al composite

这是因为一方面，在RFE加工过程中，由于摩擦生热和剧烈的塑性变形使材料发生动态再结晶，形成了细小的等轴晶；另一方面，MWCNTs的存在，可阻碍再结晶后的晶粒长大，但当MWCNTs体积分数较高时，在此加工条件下，需更大的驱动力才能混合均匀，因此出现了MWCNTs的团聚[10]。

图5为3%MWCNTs/Al复合材料SEM照片及EDS图像，在SEM照片中未发现MWCNTs的团聚。图5(b)为图5(a)中A区的C元素分布图，可见C元素分布均匀，也就是说，经过RFE加工后MWCNTs在铝合金基体中分布较均匀。

上述结果表明，RFE法可制备出具有一定形状尺寸的块体复合材料，其组织为细小等轴晶。加入的MWCNTs在基材中分布较均匀，当MWCNTs体积分数增加到5%时，出现MWCNTs的团聚。

图5 3%MWCNTs/Al复合材料SEM照片及EDS图像(a)SEM照片；(b)C元素分布；Fig.5 The SEM and EDS images of 3%MWCNTs/Al composites(a)SEM image;(b)the C element distribution

2.2 复合材料的显微硬度

图6为MWCNTs/Al复合材料的硬度与MWCNTs体积分数的关系。图中虚线为H态基材的硬度，其大小为88.0HV，经RFE加工后的RFE态基材硬度为91.9HV，比H态基材硬度增加了4.4%。由图6可见，随着MWCNTs体积分数的增加，复合材料的硬度先增加后降低；当MWCNTs体积分数为4%时，硬度达到108.9HV，是RFE态基材的1.2倍。当MWCNTs体积分数达到5%时，复合材料硬度出现下降，但相较于经RFE态基材仍然增加了10.7%。

图6 复合材料的硬度与MWCNTs含量的关系Fig.6 The relation between hardness and MWCNTs content

分析认为，无MWCNTs的基材，经过RFE加工后由于热作用和剧烈的塑性变形会形成细小的晶粒，并伴有一定的形变强化，使其硬度提高；对于MWCNTs/Al复合材料，除具有细晶强化外，MWCNTs分散在铝合金基体中，在外载作用下MWCNTs起到分担载荷的作用，从而使得材料硬度提高[10]。此外，MWCNTs加入基材后，在材料内部形成大量的位错，位错的相互缠结作用使位错难以滑移面上运动，提高了材料的流变抗力，复合材料硬度提高[11]。但当MWCNTs体积分数达到5%时，由于MWCNTs在复合材料中发生了团聚，不利于与基材形成良好的界面结合，无法充分发挥MWCNTs的强化作用[5]，硬度开始下降。

2.3 复合材料的摩擦磨损性能

图7为材料摩擦磨损试样表面的SEM照片。图7(a)为RFE态基材的磨损表面，可以看出，磨损表面在摩擦过程中产生了一定的塑性变形，形成界面膜，界面膜上存在破裂后的凹坑，且分布少量的犁沟；图7(b)，(c)为1%和3%MWCNTs/Al复合材料的磨损表面，可以看出，磨损表面均覆盖一层固体润滑膜，润滑膜表面较光滑且存在犁沟，同时也存在着少量凹坑，图7(c)与图7(b)相比磨损表面犁沟加深、数量增多，且凹坑减少。因此，由图7可知，随着MWCNTs的加入及体积分数的增加，磨损表面变得光滑，犁沟的数量及深度随之增加，凹坑大小及数量则随之减小。

图7 材料磨损表面的SEM照片(a)RFE态基材；(b)1%MWCNTs/Al复合材料；(c)3%MWCNTs/Al复合材料Fig.7 The SEM images on the wear surface of the material(a)matrix material(RFE);(b)1%MWCNTs/Al composite;(c)3%MWCNTs/Al composite

图8为经过RFE加工后的基材及3%MWCNTs/Al复合材料摩擦磨损试样表面的EDS结果。可以看出，磨损表面中均发现有大量的O元素，这是因为摩擦磨损过程中材料发生了氧化；图8(b)中存在C元素，说明磨损表面含有MWCNTs。

图8 材料磨损表面的EDS(a)RFE态基材；(b)3%MWCNTs/Al复合材料Fig.8 The EDS on the wear surface of the material(a)matrix material(RFE);(b)3%MWCNTs/Al composite

图9 复合材料的磨损率与MWCNTs含量的关系Fig.9 The relation between wear rate and MWCNTs content

图9为MWCNTs/Al复合材料的磨损率与MWCNTs体积分数的关系。图中虚线表示的是H态基材的磨损率，其大小为0.0249mg/m，RFE态基材的磨损率为0.0230mg/m，较H态基材磨损率减小了7.7%。当MWCNTs的体积分数小于3%时，随着MWCNTs体积分数的增加，复合材料的磨损率下降。当MWCNTs的体积分数大于3%后，随着MWCNTs体积分数增加，复合材料的磨损率逐渐趋于稳定，磨损率基本无变化。当MWCNTs体积分数为3%时，磨损率为0.0130mg/m，比RFE态基材磨损率降低了43%。

分析认为，MWCNTs的加入一方面使复合材料的硬度提高，增加了复合材料抵抗摩擦副犁削的作用，提高了材料的耐磨性；另一方面在与摩擦副的磨损过程中脱落的含有MWCNTs的磨屑会黏附在复合材料和摩擦副的接触表面，形成一层薄膜，起到润滑减磨作用，同时还减少了基体与摩擦副直接接触面积，使摩擦发生在摩擦副与薄膜之间，降低了复合材料的磨损率[14]。当MWCNTs体积分数较少时，磨损表面脱落的磨屑中MWCNTs体积分数少，与摩擦副接触的表面形成的薄膜大部分是由基体磨屑组成，MWCNTs的固体润滑剂的作用较弱。随着复合材料中的MWCNTs体积分数的增加，复合材料的硬度逐渐增大，耐磨性提高；其次接触表面的MWCNTs体积分数也随之增加，即形成的薄膜中的MWCNTs体积分数增加，润滑作用增强，从而降低复合材料的磨损率。继续增加MWCNTs体积分数，当MWCNTs达到某个值时，固体润滑膜已经形成，复合材料的磨损率变化不大，对耐磨性的影响较小。可见MWCNTs在一定范围内可以有效提高材料复合材料的耐磨性能。

复合材料磨损性能的变化，与复合材料摩擦磨损机理有关。如图7(a)所示，RFE态基材磨损表面出现了较多尺寸较大的凹坑，塑性变形，以及少量的犁沟，说明在本实验条件下，经加工后的基材的磨损机理以黏着磨损为主，并伴随轻微的磨粒磨损。

当复合材料中MWCNTs体积分数为3%时，磨损表面出现了平行的犁沟，以及少量尺寸较小的凹坑。在磨损表面的高倍SEM照片中，发现磨损表面有较多裂纹，并且在凹坑处有磨屑的堆积，如图10所示。图11为3%MWCNTs/Al复合材料磨损示意图。在摩擦过程中，首先润滑膜在摩擦副的交变压力的作用下产生裂纹，裂纹扩展连接后使固体润滑膜剥落形成磨屑，并在磨损表面形成凹坑；之后，一部分剥落的磨屑，开始堆积填充在磨损表面的凹坑处，重新开始形成固体润滑膜，润滑膜处于动态修复过程。因此，3%MWCNTs/Al复合材料的磨损机理为以剥层磨损和磨粒磨损为主，并伴随轻微的黏着磨损。

图10 3%MWCNTs/Al复合材料磨损表面特征的SEM照片(a)裂纹；(b)磨屑堆积Fig.10 The SEM images of feature on the wear surface of 3%MWCNTs/Al composites(a)crack;(b)debris accumulation

图11 复合材料磨损示意图Fig.11 The schematic of wear of the composites

3 结论

(1)用RFE方法可制备具有一定形状尺寸的块体MWCNTs/Al复合材料。复合材料的成形质量好，显微组织为经动态再结晶后的细小等轴晶，MWCNTs在铝合金基体中分布均匀。

(2)经RFE制备的MWCNTs/Al复合材料硬度比基材高。随着MWCNTs体积分数增加，复合材料的硬度先增加后降低，当MWCNTs体积分数为4%时，硬度达到最高，为108.9HV，是基材经RFE加工后的1.2倍。

(3)MWCNTs在复合材料磨损过程中起润滑作用，有助于降低MWCNTs/Al复合材料的磨损量提高复合材料的耐磨性。随MWCNTs体积分数的增加，复合材料的磨损率降低，当MWCNTs体积分数大于3%后磨损率变化较小。由于MWCNTs体积分数的增加，磨损机制发生了变化，即由黏着磨损和轻微磨粒磨损转变为剥层磨损和磨粒磨损。

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Microstructure and Tribological Property of MWCNTs/Al Composites by Rotational Friction Extrusion Process

FAN Hao,XING Li,YE Yin,KE Li-ming,FU Xu-rong

(National Defense Key Disciplines Laboratory of Light Alloy Processing Science and Technology,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China)

The aluminum matrix composites reinforced with the multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were fabricated by rotational friction extrusion (RFE) process and the microstructure, hardness and tribological property of the composites were investigated. The results show that the bulk composites with certain dimension can be fabricated by the RFE process. The microstructure of the composites appears as fine equiaxed grain after dynamic recrystallization and the quality is good. The MWCNTs are uniformly distributed in the composites. The hardness of the composites increases firstly and then decreases with the increase of MWCNTs. When the volume fraction of MWCNTs is about 4%, its hardness is about 20% higher than that of the original Al matrix material by RFE process. The lubrication and wear resistance of the composites are changed with the addition of MWCNTs. With the increase of the MWCNTs, the wear rate of the composites is decreased at first, and when the volume fraction of MWCNTs is more than 3%, the wear rate varies little. The wear mechanism is changed, which is from adhesion wear and mild abrasive wear to the delamination wear and abrasive wear with the increase of the MWCNTs.

rotational friction extrusion;composite;microstructure;tribological property;wear mechanism

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.10.007

TB331

A

1001-4381(2016)10-0047-07

国家自然科学基金(51364037)；2014江西省研究生创新专项资金项目(YC2014-S385)

2016-01-25;

2016-04-18

邢丽(1959-)，女，教授，硕士生导师，主要从事特种连接技术、新材料制备技术，联系地址：南昌航空大学航空制造工程学院(330063)，E-mail:xingli_59@126.com