攪拌摩擦加工法制備顆粒增強鋁基表面復合材料的研究.pdf

1、鋁合金硬度低、耐磨性較差等缺點限制了其在航空、航天、汽車等領域的應用。在鋁合金中加入陶瓷顆粒形成鋁基復合材料，可明顯提高基體耐磨損性能，但不可變形顆粒的加入將使鋁基體脆性增加。由于磨損主要發(fā)生在鋁合金表面，如果僅將陶瓷顆粒加入到鋁合金表面形成鋁基表面復合材料層，可在提高表面耐磨性同時保持基體本身優(yōu)良的延展性和韌性。為滿足鋁合金耐磨損的工作要求，采用攪拌摩擦加工方法在鋁合金表面制備顆粒增強復合材料層，具有顯著的經(jīng)濟效益。
　　本文分

2、別以納米ZrO2、Al2O3和AlN顆粒作為增強體，在6061-T6鋁合金板表面制備了顆粒增強鋁基表面復合層，通過試驗法和數(shù)值模擬法優(yōu)化了攪拌頭和工藝參數(shù)，并對表面復合材料層的微觀組織、物相組成、顆粒分布及硬度、耐磨損性能進行了研究。
　　本文研究得到的最優(yōu)攪拌頭為“大軸肩-中攪拌針”型，軸肩和攪拌針直徑分別為18mm和6mm，比值為3∶1;最優(yōu)工藝參數(shù)為:旋轉速度為900r/min，行進速度為60mm/min，攪拌次數(shù)為6。采用

3、該攪拌頭和工藝參數(shù)制備的表面復合材料層內顆粒體積分數(shù)最高，顆粒分布均勻性最好。
　　采用FLUENT軟件對6061鋁合金的攪拌摩擦加工穩(wěn)態(tài)過程進行數(shù)值模擬。模擬結果表明，攪拌頭附近溫度場分布是非對稱的，而速度場分布是對稱的，大多數(shù)塑性材料從后退側繞過攪拌頭流動，并在局部形成環(huán)流;攪拌頭形狀和尺寸對塑性變形區(qū)域的影響顯著;隨著行進速度減小，旋轉速度增加，攪拌次數(shù)增多，加工過程的產(chǎn)熱量也隨之增加;與行進速度相比，旋轉速度變化對速度場影

4、響更大。
　　由于發(fā)生動態(tài)再結晶，表面復合材料層晶粒呈細小等軸晶。Al6061/ZrO2復合材料層內顆粒體積分數(shù)最高，顆粒分布均勻性最好;Al6061/AlN復合材料層內顆粒體積分數(shù)最低，顆粒分布均勻性最差;Al6061/Al2O3復合材料層內顆粒體積分數(shù)及分布均勻性介于兩者之間。
　　由于顆粒強化和細晶強化，三種表面復合材料層的硬度均顯著高于母材，其中，Al6061/ZrO2復合材料層硬度最高，為母材的2.1倍。
　

5、　由于表面硬度提高和陶瓷顆粒存在，三種表面復合材料層的耐磨性均優(yōu)于母材。在不同滑動速率下，三種表面復合材料層耐磨性不同:在低滑動速率下，Al6061/ZrO2復合材料層耐磨性最好，磨損量為母材的0.54倍，其次為Al6061/Al2O3復合材料層、Al6061/AlN復合材料層;在高滑動速率下，Al6061/Al2O3復合材料層耐磨性最好，其次為Al6061/AlN復合材料層，Al6061/ZrO2復合材料層耐磨性相對較差。該耐磨性差異