氮化硼纳米颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦加工强化机制及性能研究

本研究通过搅拌摩擦焊接/加工(FSW/P)技术制备铝-氮化硼纳米颗粒(Al-BNNP)复合材料，解决了传统液态加工中增强相分布不均、界面反应等问题。采用压痕塑性成像技术(PIP)测得搅拌区(SZ)屈服强度较母材(BM)提升47.8%，揭示了晶界钉扎、位错强化等协同作用机制，为航空航天领域轻量化高强材料开发提供新思路。

　　

在追求轻量化高强材料的时代浪潮中，金属基复合材料(MMCs)因其优异的性能组合成为研究热点。然而传统液态加工方法存在增强相分布不均、高温界面反应等问题，特别是对于氮化硼纳米颗粒(BNNPs)这类高性能增强体，熔铸过程易生成有害的AlN和AlB₂相。NASA兰利研究中心近期联合波音、蓝色起源等12家企业开展太空热防护结构研发的背景下，DEVCOM陆军研究实验室资助的研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表重要成果，通过固相搅拌摩擦焊接/加工(FSW/P)技术成功制备Al-BNNP复合材料，避免了传统工艺的缺陷。

研究采用压痕塑性成像(PIP)、纳米压痕等关键技术，系统分析了材料性能梯度变化。选用Al 1100-H14基板与100nm-3μm的BNNPs，通过螺纹针工具增强塑性流动。PIP技术通过逆向有限元建模拟合残余压痕轮廓，克服了传统硬度测试的局限性。

【Synergistic Effect of Dynamic Recrystallization and Zener Pinning during FSP】章节显示，螺纹针工具产生的剧烈塑性变形促使动态再结晶(DRX)，形成平均粒径4.2μm的等轴晶（母材为35μm）。BNNPs的齐纳钉扎效应抑制了晶粒长大，搅拌区(SZ)显微硬度达192±26 MPa。

【Discussion】部分揭示，纳米压痕测得SZ区应变速率敏感性(SRS)显著降低，激活体积从BM的25b³降至18b³（b为伯氏矢量），表明位错运动受到BNNPs-位错相互作用的强烈限制。PIP推导的屈服强度(YS)显示，SZ区(170±30 MPa)较母材提高47.8%，较文献报道的纯铝FSW材料提升75%。

结论表明，这种固相加工方法避免了BNNPs的热降解，通过多重强化机制（晶界强化Hall-Petch、载荷传递、位错密度提升）实现性能突破。该研究为太空舱体、运载火箭等极端环境用材料开发提供了新范式，其方法体系可扩展至摩擦搅拌增材制造(FSAM)领域。特别是提出的"工具设计-颗粒分布-性能梯度"关联模型，为MMCs的微观结构定制提供了重要指导。