摩擦挤压增材制造TiC增强AA6061铝基复合材料的微观结构调控与力学性能强化

本文创新性地采用摩擦挤压增材制造(FEAM)技术制备TiC增强AA6061铝基复合材料(TiC/AA6061 AMCs)，通过固态沉积过程中的动态再结晶细化晶粒（降幅达58%）和TiC颗粒钉扎位错等多重强化机制，使沉积态材料的显微硬度(76.5 HV)和极限抗拉强度(UTS 244.2 MPa)较基体分别提升24%和59.1%。经热处理后性能更达基材的109.1%(114.6 HV)和104%(313 MPa)，为航空航天领域高摩擦/高载荷部件（如机翼结构、制动卡钳等）提供了新型高性能固态增材制造工艺范式。

　　

Highlight

本研究开创性地开发了TiC增强AA6061铝基复合材料(TiC/AA6061 AMCs)的摩擦挤压增材制造(FEAM)协同强化工艺。通过复合策略实现沉积层微观结构致密化与力学性能提升，沉积态复合材料晶粒尺寸较AA6061基体细化58%并呈现均匀梯度分布，显微硬度(76.5 HV)和极限抗拉强度(UTS 244.2 MPa)分别提升24%和59.1%。热处理后更消除晶粒尺寸梯度，使性能达到基材的109.1%(114.6 HV)和104%(313 MPa)。

Materials

基板采用AA6061-T6板材(300 mm×130 mm×10 mm)，进料为同质AA6061-T6挤压棒材(15 mm×15 mm×200 mm)，增强相选用10-80 μm商用TiC陶瓷粉末。为实现FEAM过程中TiC粉末同步添加，在进料棒中心轴线加工直径5 mm(8.7 vol%)和6.5 mm(14.7 vol%)的孔道。

Microstructure characteristics

图1(c)显示沉积态样品的宏观形貌具有固态沉积铝合金典型的连续金属光泽与周期性波浪状流线。终端沉积区出现半径约10 mm的半圆形突起，源于轴向压力波动导致的动态再结晶材料堆积。图2(a-c)显示TiC颗粒在铝基体中呈现独特的三维空间分布特征。

Conclusions

(1) 通过FEAM成功制备不同TiC理论体积分数的TiC/AA6061 AMCs，但固态沉积过程中实际TiC保留率仅达理论值的21.4%-36.8%；

(2) TiC颗粒通过促进动态再结晶使沉积态复合材料晶粒尺寸梯度分布，平均晶粒尺寸较AA6061降低58%；

(3) 热处理有效消除晶粒梯度，使显微硬度和UTS分别提升至基材水平的109.1%和104%。

CRediT authorship contribution statement

Qinxin Dong: 初稿撰写；Yongjian Li: 课题指导与资金支持；Xudong Ren: 文稿修订；Shixing Yan: 数据分析；Xiaoting Liu: 软件模拟。

Declaration of Competing Interest

作者声明不存在可能影响本研究结果的利益冲突。

Acknowledgements

感谢国家自然科学基金(52101085)的资助。