PTFE含量对FSP制备Ni/ Al复合材料组织和性能的影响

王承剑，黄春平，夏 春，柯黎明，刘奋成



PTFE含量对FSP制备Ni/ Al复合材料组织和性能的影响

王承剑，黄春平，夏 春，柯黎明，刘奋成

(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)

采用搅拌摩擦加工(FSP)方法对添加不同聚四氟乙烯(PTFE)含量混合粉末(PTFE+Ni)制备Ni/Al复合材料。采用SEM、EDS、XRD及EPMA对复合区微观组织进行分析，采用室温拉伸试验对Ni/Al复合材料力学性能进行测试。结果表明：在一定范围内，随着PTFE含量的增加，Ni/Al复合材料的均匀性逐渐提高，且增强相生成量逐渐增加；当PTFE含量达到7%时，其拉伸强度达到233 MPa，较添加纯镍制备Ni/Al复合材料拉伸强度(163 MPa)提升了42.9%；当PTFE含量超过7%时，部分PTFE裂解放出大量的热量，使得Al与PTFE发生反应生成AlF3和不同的铝化物，导致局部Al-Ni反应过程中Al含量不足，部分Ni未反生反应，减少了Al3Ni金属间化合物生成物的数量，使得拉伸强度下降。

搅拌摩擦加工；PTFE；复合材料；原位反应

颗粒增强铝基复合材料具有密度小、比强度高、耐腐蚀、加工性能好以及制备工艺灵活等优点，成为当前复合材料发展和研究的主流[1]。搅拌摩擦加工(FSP)技术由于能解决机械合金化产物受污染和传统复合材料制备工艺中增强体润湿性差等问题，是颗粒增强铝基复合材料的理想制备技术[2−4]。根据增强颗粒的获取方式，可划分为原位反应生成与直接外加增强颗粒相两大类。相比直接加入硬质颗粒相而言，原位反应生成金属间化合物不但能在搅拌过程中碎化产生较为均匀的纳米增强颗粒，而且能够与基体金属件形成很强的结合界面从而有效的阻碍位错运动[5−8]。

采用搅拌摩擦加工制备原位铝基复合材料时，原位生成物与基体之间的相界面可以达到孪晶结合，即形成很强的金属键结合，结合强度高[9]。但是，原位反应生成增强颗粒工艺存在容易产生颗粒团聚以及原位生成相较少的缺陷[10−13]。WANG等[14]用粒径10 μm的SiC颗粒制备5A06轧制铝合金表面复合材料层时，发现搅拌针在板材中的旋转和行进剪切力可使颗粒在基体中流动、分散，但由于基体和颗粒之间的物性差异，颗粒很难像软化的基体那样流动，导致增强相在某些区域的团聚。强金丽等[15]研究了粉末粒度对搅拌摩擦加工制备Al-Ni金属间化合物增强铝基复合材料的影响，发现随着粉末尺寸增大，破碎效果增强，团聚效应减弱，复合材料中的Ni团聚体依次呈近圆形结构、类椭圆结构和独特叠层状组织。张琪[16]采用Al粉末和Ti粉末混合热压后再进行搅拌摩擦加工获得Al-Ti系复合材料，结果表明随着Ti含量的增加复合材料的拉伸性能不断增加，Al3Ti金属间化合物量逐渐增加；但是，Ti粉与Al粉没能完全反应，Al-Ti试样中未反应的Ti颗粒体积分数约为4.6%。在前期的相关研究[17]表明，在搅拌摩擦加工过程中聚四氟乙烯(PTFE)对Ni粉具有一定的润滑的作用，会阻隔Ni粉的团聚，可以提高Ni/Al复合材料的均匀性，最终提高Ni/Al复合材料的性能；但PTFE添加量对搅拌摩擦加工制备复合材料的影响如何，未进行系统的研究。

本文作者通过在原材料Ni粉中加入不同含量PTFE有机物进行搅拌摩擦加工制备Ni/Al复合材料，通过SEM、XRD、EPMA、能谱分析等方法对比研究添加不同含量聚四氟乙烯对搅拌摩擦加工制备Ni/Al复合材料组织和性能影响。

1 实验

采用1060铝合金作为基体金属板材，其尺寸为300 mm×50 mm×5 mm。通过机械加工的方法在基体金属板材上加工一排盲孔(孔的直径为3 mm，深度和间隙为4 mm)，在盲孔内装填纯球形镍粉(粉末粒度2.3 μm)以及不同PTFE含量(3%、5%、7%、9%，质量分数)的混合粉末。将盲孔内的粉末压实，然后沿盲孔中心线对粉末填充区进行搅拌摩擦加工。所采用搅拌头的轴肩直径为16 mm，搅拌针为圆台形，其直径分别为8 mm、6 mm，搅拌针的长度为3.7 mm，并且带有左螺纹。搅拌头的旋转速度为950 r/min，焊接速度为30 mm/min，搅拌头倾角2°，加工道次5次。

搅拌摩擦加工完成后，沿Al合金板厚方向截取试样。利用扫描电镜及电子探针对复合区微观结构及元素分布进行分析，通过射线衍射仪分析复合区的相组成，并对复合区的拉伸性能进行测试，拉伸试样尺寸如图1所示，拉伸速率为1 mm/min，最大载荷设置为10 kN。

图1 拉伸试样尺寸

2 结果及分析

图2所示分别为添加纯Ni粉、Ni+3%PTFE、Ni+5%PTFE、Ni+7%PTFE、Ni+9%PTFE进行搅拌摩擦加工制备Ni/Al复合材料的复合区域宏观图片。从图2(a)中可以看出，添加纯Ni粉搅拌摩擦加工制备复合材料后出现了团聚现象，形成大尺寸团聚物，团聚物的最大尺寸达到2 mm，且团聚体杂乱无章的分布在复合区域。从图2(b)~(d)可知，添加PTFE后，Ni/Al复合材料的复合区域的块状团聚物消失，且随着PTFE含量的增加，复合区域的组织均匀性逐渐提高。然而，当PTFE的含量超过9%时，复合材料的复合区域均匀性下降，但并未出现块状团聚物，如图2(e)所示。

图2 复合材料横截面宏观形貌

图3所示为添加不同含量PTFE经过5道次搅拌摩擦加工制备Ni/Al复合材料复合区域的显微组织。如图3(a)所示，当PTFE含量为3%时，复合区域出现杂乱无章的小尺寸团聚物，团聚物的最大尺寸达到97 μm。随着PTFE含量增加至7%时，Ni/Al复合材料复合区的团聚物大大减少，且团聚物的最大尺寸减小到17.8 μm，其复合区组织均匀性得到了极大的改善，如图3(c)所示。从图3(a)~(c)可以看出，随着添加PTFE含量增加，Ni/Al复合材料复合区中块状团聚物的数量、尺寸逐渐减小，复合区组织的均匀性逐渐增加。分析认为：PTFE为聚合物，其熔点为327 ℃，沸点为400 ℃。在搅拌摩擦加工过程中，搅拌区的温度高于PTFE的熔点和沸点，因此，分布在复合区中的PTFE会因为搅拌摩擦加工过程中温度过高而熔化，当温度进一步升高时将转变为气体；PTFE未裂解成气体前，其润滑作用有益于Ni粉的分散，增大Ni与Al的接触面从而增大Ni与Al的反应界面，使得反应程度增大，Al3Ni金属间化合物的生成数量增多；同时，搅拌作用使得Al3Ni金属间化合物均匀分布在复合区域，大部分PTFE裂解成气体逸出，并不会降低复合区的性能。然而，当PTFE含量超过7%时，部分PTFE裂解放出的大量热能使得Al与PTFE反应生成AlF3和不同的铝化物，导致局部Al-Ni反应过程中Al含量不足，部分Ni未反生反应，从而形成团聚，如图3(d)所示。

图4所示为添加7%PTFE搅拌摩擦加工制备复合材料的EPMA图，EPMA图中所测试的元素含量采用不同颜色进行标定，深蓝色最少，深红色最多。如图2(b)所示，Al元素在基体组织中呈现红色，在Ni粉团聚物中心呈现深蓝色；如图2(c)所示，Ni元素在团聚物处呈现深红色，在基体中呈现深蓝色。弥散分布在复合区的细小颗粒增强体在Al元素分布图和Ni元素分布图中都呈现青绿色。针对EPMA图中不同颜色位置进行元素成分分析，其结果如表1所列。从表1中的数据可知，团聚物的主要元素为Ni，分布在基体中的青绿色细小颗粒(见点1)的元素成分为Al、Ni，且(Al):(Ni)约为3:1，结合文献可以确定该颗粒为Al3Ni增强体。此外，由图2(d)可知，在复合区的基体位置并未发现F元素的分布，只有极少数的F元素存在于Ni粉团聚物中，正好验证了上文PTFE裂解的气体在搅拌摩擦过程中逸出。

图3 Ni/Al复合材料复合区显微组织

图4 Ni/Al复合材料横截面EPMA图

图5所示为不同含量PTFE搅拌摩擦加工制备Ni/Al复合材料的XRD谱。从图5中可以发现，在FSP复合区发现了Al3Ni相，这证明 Al-Ni 确实发生了原位反应，且前述青绿色颗粒为Al3Ni相增强颗粒的推测是正确的。随着PTFE含量逐渐增加至7%，复合区的Al3Ni相衍射峰强度逐渐升高，当PTFE含量超过7%时，Al3Ni相衍射峰强度有所下降。这是由于此时局部Al-Ni反应过程中Al含量不足，致使部分Ni未反生反应，导致Al3Ni金属间化合物生成物的数量下降。

表1 图4中各点位置的化学成分

图5 不同含量PTFE制备Ni/Al复合材料XRD谱

图6所示为添加不同含量PTFE搅拌摩擦加工制备Ni/Al复合材料的应力−应变曲线。从图6中可知，与添加纯镍制备的复合材料相比，添加PTFE的复合材料最大拉伸强度明显增加。其中，未添加PTFE的复合材料的最大拉伸强度为163 MPa，而添加3%PTFE后复合材料的最大拉伸强度为183 MPa，而且随着PTFE添加量逐渐增加至7%，其强度逐渐提高至233 MPa，较纯镍复合材料的拉伸强度提升了42.9%。当PTFE含量达到9%时，复合材料的拉伸强度虽然有所下降，但是依然明显高于纯镍复合材料的拉伸强度。与添加纯镍制备的复合材料相比，添加PTFE后复合材料的伸长率都略有下降。其中，添加纯镍粉制备的复合材料的伸长率为20.8%；当PTFE添加量为7%时，复合材料的拉伸强度得到最大提升，但是其伸长率为15.2%，降低了26.9%。分析认为：虽然高体积分数的细小增强颗粒和相对较高密度的位错可以大幅度提高复合材料的拉伸强度，但也使材料的位错储存能力下降；在拉伸过程中，基体内部位错很容易达到饱和状态，造成材料失稳断裂，因此降低了材料的伸长率。

图6 不同PTFE含量制备Ni/Al复合材料的应力−应变曲线图

3 结论

1) 在一定范围内，随着PTFE含量的增加，复合材料的均匀性逐渐提高，增强相生成量逐渐增加，从而使得复合材料的拉伸强度逐渐提高。添加7%PTFE时，复合材料拉伸强度达到233 MPa，较纯镍复合材料拉伸强度(163 MPa)提升了42.9%。

2) 当PTFE含量超过7%时，部分PTFE裂解放出大量的热量使得Al与PTFE发生反应生成AlF3和不同的铝化物，导致局部Al-Ni反应过程中Al含量不足，致使部分Ni未反生反应，导致Al3Ni金属间化合物生成物的数量下降，使得拉伸强度下降。

3) 高体积分数的细小增强颗粒和相对较高密度的位错虽然可以大幅度提高复合材料的强度，但也使材料的位错储存能力下降，在拉伸过程中，基体内部位错很容易达到饱和状态，造成材料失稳断裂，因此降低了材料的伸长率。

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(编辑 何学锋)

Influence of amounts of PTFE on microstructure and properties of Ni/Al composites fabricated by FSP

WANG Cheng-jian, HUANG Chun-ping, XIA Chun, KE Li-ming, LIU Fen-cheng

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

Ni/Al composites were fabricated by friction stir processing (FSP) through adding different amounts of (PTFE+Ni) mixed powders to Al substrate. The microstructures of the composite zone were analyzed by SEM and EDS, the phase composition was examined by XRD, the element distributions of the composite zone were analyzed by EPMA, and the mechanical properties of the composites were tested by tensile test at room temperature. The results show that, within a certain range, the uniformity of composites increases with increasing the amount of PTFE and the number of Al3Ni intermetallic compound will be increased. When PTFE content reaches 7%, the tensile strength of composites reaches 233 MPa, compared with the composites with pure Ni (its tensile strength is 163 MPa), the tensile strength of composites with 7% PTFE increases by 42.9%; when PTFE content exceeds 7%, the reaction degree between Al and Ni increases because the PTFE cracked will produce lots of heat, at the same time, different aluminide and AlF3are produced. The agglomerations of Ni are found because the amount of partial Al decreases. As the reaction degree between Al and Ni decreases, the number of Al3Ni intermetallic compounds decreases, as well as the tensile strength.

friction stir processing; PTFE; composites; in-situ reaction

Projects(51465044, 51364037) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(YC2015S317) supported by the Graduate Innovation Fund of Jiangxi Province, China

2016-07-15; Accepted date: 2016-11-28

HUANG Chun-ping; Tel: +86-791-83863023; E-mail: hcp98106@163.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.09.07

1004-0609(2017)-09-1810-06

TB331

A

国家自然科学基金资助项目(51465044，51364037)；江西省研究生创新专项资金项目(YC2015S317)

2016-07-15；

2016-11-28

黄春平，副教授，硕士；电话：0791-83863023；E-mail：hcp98106@163.com