原位铝基复合材料搅拌摩擦加工工艺探索

杨睿

摘要： 搅拌摩擦加工是一种新型的原位铝基复合材料的研究方法。本文从搅拌摩擦加工的工艺参数、材料流变的组织分析方法和材料流变模型三个维度探索了该工艺在原位铝基复合材料组织性能的研究中的影响和作用。

Abstract： Friction stir machining is a new research method for in-situ aluminum matrix composites. This paper explores the influence and function of the process in the research on the microstructure and properties of in-situ aluminum matrix composites from three dimensions： the process parameters of friction stir processing， the organization analysis method of material rheology and the material rheology model.

关键词： 搅拌摩擦加工;工艺参数;材料流变;组织分析方法;模型

Key words： friction stir processing;process parameters;material rheology;tissue analysis method;model

中圖分类号：TK416+.1                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）18-0204-02

0  引言

原位铝基复合材料组织中的颗粒是由Al基体和添加物经过反应获得的，具有尺寸细小、分布相对均匀、与基体化学相容性好等优势。与外加铝基复合材料相比，原位铝基复合材料组织中的颗粒表现出了更好的室温和高温力学性能[1]。目前研究者对原位铝基复合材料的反应机制、微观组织和力学性能展开了广泛的研究，并形成了一些较为成熟的制备工艺。然而，研究结果表明，原位铝基复合材料中亚微米及纳米增强颗粒仍存在团聚现象，这说明其力学性能仍有进一步提高的可能。更多的科学家也将研究的目光聚焦到探索新的铝基复合材料加工方法和工艺方向。

1999年Mishra等人基于搅拌摩擦焊工艺，提出一种新型固态塑性加工方法——搅拌摩擦加工。在加工的过程中，高速旋转的搅拌工具缓慢挤入工件，直至轴肩与工件表面紧密接触;搅拌头及轴肩与工件摩擦产生大量热量，导致周围金属软化;伴随着搅拌工具的继续行进，热塑性金属经历剧烈塑性变形并产生了定向流动。由于同时存在轴肩锻造力的作用，迁移至后方的沉积金属形成了致密的搅拌区。新的研究结果表明，铝基复合材料经过搅拌摩擦加工后，基体中颗粒团簇消除、晶粒细化，材料表现出较好的强度和韧性[2]。

1  搅拌摩擦加工的主要工艺参数

原生于搅拌摩擦焊的新工艺方法——搅拌摩擦加工，其工艺参数众多，主要工艺参数包括：搅拌工具的几何形状、控制参数（旋转速度、行进速度、倾斜角度）和冷却方式等。搅拌工具一般由轴肩和搅拌针构成，根据加工材料不同可选用的材质有工具钢、高温合金、硬质合金和陶瓷等高强度材料。轴肩在搅拌摩擦加工工艺过程中主要有两个作用：①与工件表面摩擦产热，是基材软化的重要热源之一;②对热塑化基材提供约束作用，防止其从搅拌区溢出。轴肩的发展经历了平面、凹面、同心圆环槽、涡状线和其他更复杂形状的过程。搅拌针的主要作用是对基材进行摩擦和搅动，产生复杂的塑性流变，进而驱动热塑化金属上下运动的同时前向后流动。很多搅拌缺陷的形成都与搅拌针形状设计不合理有关，搅拌针形状和尺寸及加工参数共同决定了搅拌摩擦加工过程的传热和材料流变，从而确定了温度场和流变场的性质，最终决定了搅拌区域接头的质量。搅拌针的发展经历了光面圆柱体、普通圆柱螺纹、锥形螺纹、大沟槽螺纹、带螺旋流动槽螺纹和其他更复杂形状的过程。旋转速度（ω）和行进速度（ν）是搅拌摩擦加工工艺过程中两个最重要的参数。研究表明，在合适的搅拌头前提下，ω和ν的选择对搅拌区的性能影响很大。根据热输出分析，搅拌区的热强度q为：q=4/3π2μPωR3。

上式中，R为轴肩直径，μ和P分别为轴肩与工件间摩擦系数和压力。对铝合金而言，ω和ν匹配良好，可以获得理想的搅拌区;ω较低或ν较高时，工件热输入量不足，材料塑性流变不充分，搅拌区内往往形成不均匀的“洋葱环”结构，或者会产生“隧道”、“趾根”等缺陷。ω过高或ν较低时，搅拌区温度过高，极易导致基体晶粒和第二相严重粗化，并进一步形成“氧化物夹杂”、“蠕虫”等内部缺陷。

搅拌摩擦加工工艺冷却方式包括空冷、垫板导热、喷洒冷却介质等。采用强制散热的方式可以提高搅拌区材料的冷却速率，抑制再结晶晶粒的长大，提高力学性能。强制冷却技术已成功应用于镁合金、铝合金及铜合金的超细晶材料制备。Su等人采用甲醇和干冰的混合物对FSP-7075铝合金进行强制降温，获得了100～400nm的超细晶组织。同时，有学者进行的研究结果表明，对于可时效强化的铝合金，强制过冷不仅可以保留搅拌摩擦加工工艺过程中细晶结构，还可以有效抑制弥散相的析出，结合后续低温时效，能够进一步提高材料的力学性能。

2  搅拌摩擦加工工艺的材料流变可视化

在搅拌摩擦加工工艺过程中，材料流变直接关系到搅拌区内的组织和性能，是一个受工艺参数影响的复杂过程，其中搅拌区材料经历的应变速率能够达到102s-1，而应变高达40。由于自身特点，到现阶段仍没有办法直接观察到材料流变过程，当前主要依靠事后组织分析和计算机模拟两种方法进行可视化研究。

材料流变的组织分析方法主要有3种：异种材料焊接，示踪技术和急停技术（搅拌针冷冻技术）。

异种材料焊接是指采用不同材质板材进行FSW，由于材料耐腐蚀性不同而呈现不同的金相组织形貌，通过比较可以获得材料流变信息。观察2024Al与6061Al异种焊接的宏观组织，可见两种材料在FSW过程中形成了复杂的具有涡轮状特征的薄片夹层结构，其中动态再结晶起到关键作用。Ouyang等人研究了6061Al/6061Al和6061Al/2024Al的FSW接头组织特征及相应流变行为。结果表明，无论是同种还是异种FSW，材料在焊核区均发生剧烈塑性变形和机械混合，但两侧流动并不对等;在接头中心线位置，前者出现了明显涡流状结构特征，而后者则为薄片状结构，以上组织差异为不同材料沿搅拌针螺纹在横向及纵向流动的综合作用结果。

示踪技术是指将异种材料嵌入工件，待搅拌摩擦加工工艺结束后追踪标记物位置获得材料流变信息。Colligan等人以小钢球为示踪材料，采用X射线技术分析其在搅拌区中分布。结果表明，前进侧材料在轴肩部位经历搅动，随后沿搅拌针上螺纹强制往下迁移，并在起始位置后方沉积;后退侧材料则仅仅是绕搅拌针挤压，当它绕过时向上运动。Schmidt等人以薄Cu片为示踪材料，采用三维CT技术分析发现，搅拌针在前进侧将材料带入轴肩的空腔，在剪切力驱动下旋转至后退侧，最终流出搅拌针并沉积。Reynolds等人采用5454Al标记物对2195-T8合金FSW过程中的材料流动行为进行了研究，认为搅拌摩擦加工工艺类似于原位挤压，其中搅拌工具的轴肩、搅拌针、垫板及搅拌区外围的母材构成了一个虚拟的“挤压模”。

急停技术是指在搅拌摩擦加工工艺过程中，突然停止搅拌头旋转并反转出工件，对搅拌区材料组织进行分析以确定流变行为。Guerra等人采用示踪Cu片和急停技术研究了6061Al的材料流变，发现存在两个进程：①搅拌头前方偏前进侧材料被搅拌针拖拽并移动，在搅拌区呈螺旋运动，当经历一个或多个旋转周期后，在搅拌针后方前进侧被剥离;②搅拌头前方偏后退侧材料，主要填充前进侧被剥离的空腔。Chen等人采用急停技术对FSW-5083Al的流动行为进行观察。结果表明，塑性金属围绕搅拌针形成一个剪切层，随着搅拌头前行，剪切层中的绝大部分材料从搅拌头后方的后退侧与搅拌针分离，之后在惯性及剪切层的挤压力驱动下向空腔填充，直至到达前进侧。

除了实验观察方法外，随着计算机技术的发展，解析和数学建模的方法已成为研究和分析搅拌摩擦加工工艺过程中材料流变的一种重要手段。Deng等人应用动态适应性网格有限元方法，模拟搅拌区材料的流动情况。结果表明，材料均从后退侧绕过搅拌针移动到搅拌头后方，工艺参数对金属流动影响较大，这与示踪技术观察结果相吻合。有学者比较了滑动摩擦产热和塑性变形传热条件，建立了包括垫板和带螺纹搅拌针在内的传热模型;他还应用Fluent商业软件对材料流变过程中热-力耦合行为进行数值模拟，给出了FSW过程中焊核区横向压力和垂直压力的变化情况，在此基础上优化搅拌工具设计，模拟结果和实验数值有较好吻合。

3  搅拌摩擦加工工艺的材料流变模型

基于大量地实验观察和数值模拟，当前有两种流变模型得到了广泛关注及拓展，即动力学模型和金属加工模型。Nunes等人从实验观察和动力学角度，建立了物理模型，认为搅拌摩擦加工工艺过程中存在3种的不可压缩流场：①刚体旋转场——热塑化金属在剪切力作用下，围绕搅拌针作圆周运动;②水平迁移场——热塑化金属在摩擦力约束下，与搅拌工具一起水平运动;③涡流场——热塑化金属沿板厚方向做环形涡流运动。三种不可压缩流场矢量叠加获得两种通量——直流通量和旋涡通量。以上分类使搅拌区中不可见的复杂运动变得简单、直观、形象。

该模型中，直流通量是指材料从前方后退侧被搅拌头捕获，但在旋转场中停留时间很短，绕过搅拌针后直接在后方沉积，相当于经历了一次挤压;而旋涡通量是指材料从前方前进侧进入旋转-涡流场，经历了强烈的搅拌和混合，直至剪切力将其剥离。Nunes动力学模型中两种通量组合可以解释搅拌区的织构变化、洋葱环和各种缺陷的形成。Arbegast等人将搅拌摩擦加工工艺视为一种多工艺融合的金属加工过程，可分为五个部分：预热区、初始变形区、挤压区、锻造区和冷却区。首先搅拌工具旋转摩擦预热前端金属形成预热区和初始变形区，软化金属受迫进入轴肩并向下流动进入挤压区，随着搅拌头移动，挤压区内热塑性材料填补空腔，同时垫板和轴肩对后方材料进行锻造，固结，最终材料冷却后形成致密的搅拌区。因此，Arbegast金属加工模型主要由轴肩区、挤压区、涡流区构成，类似于挤压+锻造一体化工艺。该模型可用来解释由FSW参数设置不合理引起的常见缺陷，如轴肩压力不足容易形成连贯性孔洞或“隧道”[3]。

迄今为止，对搅拌摩擦加工工艺过程中材料流变模型和规律的认识还很有限，主要由于影响因素众多，如材料类型、搅拌工具形状、加工参数等;此外，尚无直接观察的实验手段，所以，搅拌区材料流变行为目前仍存在较多争议，还有待进一步深入研究。

4  结论

搅拌摩擦加工是一种新型的原位铝基复合材料的研究方法。本文从搅拌摩擦加工的工艺参数、材料流变的组织分析方法和材料流变模型三个维度探索了该工艺在原位铝基复合材料组织性能的研究中的影响和作用。其中工艺参数包括搅拌工具的几何形状、冷却方式和控制参数（旋转速度、行进速度、倾斜角度）等;材料流变的组织分析方法包括异种材料焊接，示踪技术和急停技术（搅拌针冷冻技术）;材料流变模型最典型的是动力学模型和金属加工模型。在今后搅拌摩擦加工的研究过程中，针对以上几个方面的探索将会进一步具体化，相信搅拌摩擦加工工艺在不久的将来会有更为广阔的应用前景。

参考文献：

[1]Zhenya Zhang， Rui Yang， Yutao Zhao， etc. A novel two-step processing method for fabrication of in situ Al2O3np/Al-Al11Ce3 nanocomposite[J].Journal of Rare Earths，2015，33（2）：202-206.

[2]吳冰冰，刘成龙，童路.铝合金表面搅拌摩擦加工处理的研究进展（II）—表面复合材料层的制备[J].2015，29（1）：99-105，97-304.

[3]William J. Arbegast. A flow-partitioned deformation zone model for defect formation during friction stir welding[J]. Scripta Materialia， 2008， 58（5）：372-376.