通过快速多回旋转轧工艺制备的Al-Si合金涂层的微观结构细化及其耐磨性能

《Next Materials》：Microstructural refinement and wear properties of Al-Si alloy coatings processed by fast multiple rotation rolling

铝硅合金涂层通过快速多旋转轧制工艺优化微观结构与磨损性能研究。采用500-1100 rpm转速对A392合金涂层进行FMRR处理，发现转速升高导致涂层厚度减小（3.12-2.14 mm）、横向扩展增加（24.12-29.11 mm），界面温度从381℃升至463℃，促进硅颗粒细化（0.97-1.08 μm）与Al-Cu析出相均匀分布。纳米硬度测试显示900 rpm时表面硬度达5.96 GPa，较基材提升381.8%，磨损率降低41.7%，较AA1100基材下降71.9%。微观结构分析表明，高转速（900 rpm）通过热-机械协同作用形成梯度微观结构，表层细晶（2.79 μm）与均匀析出相提升耐磨性，而深层区域因热粗化导致整体硬度下降。

　　本研究探讨了通过快速多旋转滚压（FMRR）工艺在纯铝基体上沉积的Al-Si合金涂层的微观结构演变、硬度以及耐磨性能。实验中，工具旋转速度分别设定为500、700、900和1100转每分钟（rpm），以观察不同处理条件下涂层的性能变化。随着工具速度的提升，涂层与基体之间的界面温度显著上升，从381°C增加至463°C。温度的升高不仅促进了材料的流动，还影响了涂层的厚度和横向扩展范围。尽管高速处理导致涂层变薄，但其横向宽度有所增加。值得注意的是，当工具速度达到1100 rpm时，涂层的有效宽度出现下降，这可能是由于材料过度横向流动而未能充分结合所致。与此同时，FMRR处理后的涂层表面层厚度从500 rpm时的35.1±1.2微米增加到1100 rpm时的91.3±3.2微米，这一现象归因于更高的热输入和更深的工具渗透，从而促进了更广泛的塑性变形和再结晶过程。

在微观结构方面，FMRR处理显著改善了Al-Si合金涂层的组织特性。研究发现，随着工具速度的提高，涂层的表面区域呈现更细小且均匀分布的硅颗粒和Al-Cu析出相。特别是在900 rpm条件下，硅颗粒的尺寸和分布达到了最佳状态，表明这一速度范围内的处理效果最显著。硅颗粒的细化与均匀分布主要得益于FMRR过程中产生的剪切应力和高温环境，这些因素促使硅颗粒发生断裂和重塑。此外，Al-Cu析出相的细化和均匀分散进一步提升了涂层的硬度和耐磨性能。相比之下，在较低的工具速度下，如500 rpm，硅颗粒仍保持较大的尺寸和不规则的分布，这可能限制了涂层的性能提升。

硬度测试结果表明，涂层的整体硬度随工具速度的增加而有所下降，但表面区域的硬度则呈现出不同的趋势。在500 rpm条件下，涂层的硬度达到峰值，比消耗性杆高17.8%，比AA1100基体高381.8%。这一现象主要归因于表面区域的微结构优化，包括更细小的晶粒和均匀分布的析出相。然而，随着工具速度的进一步提高，中心和界面区域的晶粒尺寸增大，导致整体硬度有所下降。纳米压痕测试进一步揭示了表面硬度的变化趋势，其中900 rpm处理的样品表现出最高的纳米硬度（5.96 GPa）和纳米尺度下的杨氏模量（139.6 GPa），远高于500 rpm处理的样品（3.65 GPa和119.4 GPa）。这表明，表面区域的析出相强化效果远大于晶粒尺寸或硅颗粒的细化带来的影响。

在耐磨性能方面，研究发现，随着工具速度的提升，涂层的耐磨性在900 rpm时达到最佳状态。与消耗性杆相比，S-900样品的磨损率降低了41.7%，而与AA1100基体相比，磨损率减少了71.9%。这一趋势与纳米硬度的提升密切相关，符合Archard磨损关系。然而，在1100 rpm条件下，磨损率略有回升，这可能是由于材料过度软化和有效结合区域减少所致。磨损表面的扫描电镜图像进一步支持了这一结论，显示处理后的样品表面出现的沟槽和凹坑显著小于消耗性杆和基体表面，表明其耐磨性能得到了有效提升。

研究还指出，FMRR处理对Al-Si合金涂层的微观结构具有深远的影响。在500 rpm条件下，晶粒尺寸最小（2.12微米），而在1100 rpm时，晶粒尺寸达到最大（3.21微米）。这种晶粒尺寸的变化与工具速度引起的应变速率和温度之间的平衡有关。较低的工具速度（如500 rpm）促进了更高的应变速率，从而产生更细小的晶粒；而较高的工具速度（如1100 rpm）则因更高的热输入，导致晶粒的粗化。同时，硅颗粒的细化和均匀分布主要发生在表面区域，而在涂层的中心和界面区域，由于热传导的限制，硅颗粒的形态和分布变化较小。

此外，研究还强调了FMRR作为一种表面处理技术的优势。该技术能够在不移除材料的情况下，通过塑性变形和再结晶过程，实现涂层的微结构优化。这不仅提升了涂层的硬度和耐磨性能，还减少了后续加工步骤的需求，从而降低了成本和处理时间。同时，FMRR处理后的涂层具有更平滑的表面和更高的结合强度，这使其在需要精确尺寸和优良表面质量的工业应用中具有更大的潜力。

从应用角度来看，FMRR技术的引入为纯铝材料的表面改性提供了新的解决方案。在航空航天、汽车制造和能源系统等领域，轻量化与高耐久性是材料选择的关键因素。通过FMRR处理，Al-Si合金涂层能够在保持低密度和良好抗腐蚀性能的同时，显著提高其机械性能和耐磨能力。这种结合了摩擦喷涂和FMRR的工艺，不仅适用于铝基材料，还可能拓展到其他金属合金的表面处理，为开发高性能的轻质材料开辟了新的途径。

研究还指出，尽管FMRR技术展现出诸多优势，但其对涂层表面粗糙度的影响仍需进一步探讨。当前的实验主要关注了涂层的微观结构和机械性能，而表面粗糙度的变化可能对涂层的实际应用产生重要影响。因此，未来的研究可以系统地分析工具速度、移动速度以及材料流动等因素对表面形貌的影响，从而更全面地评估FMRR处理后的涂层性能。

总的来说，本研究为Al-Si合金涂层的表面改性提供了一个重要的技术路径。通过调整FMRR工具的旋转速度，可以有效地控制涂层的厚度、微观结构以及表面性能。在900 rpm条件下，涂层表现出最佳的综合性能，包括较高的纳米硬度、优异的耐磨性以及均匀的硅颗粒和析出相分布。这一结果不仅揭示了FMRR技术在表面处理中的潜力，还为工业应用中的材料选择和工艺优化提供了理论依据和实验支持。随着对FMRR技术的深入研究，其在提高铝基材料性能方面的应用前景将更加广阔。