锥形与圆柱形搅拌针几何形状对摩擦搅拌加工中材料流动、微观结构演变及颗粒分布的影响机制研究

推荐：本研究针对摩擦搅拌加工(FSP)中搅拌针几何形状对材料流动和颗粒分布影响机制不清的问题，通过计算流体动力学(CFD)模拟与实验验证，系统比较了锥形(6→4 mm)与圆柱形(5 mm)搅拌针的加工特性。研究发现锥形针通过55.6%截面积缩减产生更复杂的材料流动，虽产生更高应变率却因温度对Zener-Hollomon参数的指数影响导致更大晶粒；在70wt%B4C+30wt%h-BN增强复合材料中，锥形针产生更大颗粒贫化区但圆柱形针实现更均匀分布。该研究为FSP工具选择提供了理论依据，对高性能复合材料制备具有重要指导意义。

　　

在航空航天、汽车制造等高端装备领域，粒子增强铝基复合材料(PRAMCs)因其优异的比强度和耐磨性备受青睐。然而传统制备方法如粉末冶金和搅拌铸造常面临颗粒分布不均、界面结合差等问题。摩擦搅拌加工(FSP)作为一种新兴的固态加工技术，通过机械搅拌与摩擦热的协同作用实现颗粒细化与分散，但搅拌针几何形状对加工效果的影响机制尚不明确，特别是对B₄C与h-BN这类混合颗粒体系的分布规律缺乏系统研究。

为揭示这一科学问题，Jin-song Yang等人在《Journal of Materials Research and Technology》发表了最新研究成果。研究团队采用计算流体动力学(CFD)模拟与实验验证相结合的方法，重点比较了锥形(基部直径6 mm向根部4 mm渐缩)和圆柱形(直径5 mm)两种搅拌针在AA6061铝合金和70wt%B₄C+30wt%h-BN增强复合材料加工中的表现。关键技术包括：基于ANSYS Fluent的CFD模拟建立三维材料流动模型；对AA6061铝合金进行单道次和四道次(交替方向)加工；通过电子背散射衍射(EBSD)分析微观结构演变；采用电子探针显微分析(EPMA)表征颗粒分布特征。

温度场与材料流动特性方面，研究发现锥形针因55.6%的截面积缩减产生更复杂的应变率梯度(96.4→15.6 s^-1)，其峰值温度比圆柱形针高12.8 K。纵向流动流线显示，高温区边界近似于由搅拌针肩部边缘与根部边缘连接的曲面，验证了剪切面概念。

微观结构演变与织构特征部分，研究得出三个重要发现：(1)尽管锥形针产生更高应变率，但由于温度对Zener-Hollomon参数的指数影响，其平均晶粒尺寸(5.06 μm)反而大于圆柱形针(4.74 μm)；(2)锥形针显著促进Cu{112}<111>织构形成(单道次33.9% vs 圆柱形针6.1%)，这种强织构保存限制了连续动态再结晶(CDRX)所需的亚晶旋转自由度；(3)四道次加工后，圆柱形针样品晶粒长大更明显，因其温度分布半高宽(FWHM)更大(5.52 s vs 锥形针5.14 s)，为晶粒生长提供了更长时间窗口。

宏观对称性分析显示，锥形针加工区宽度比圆柱形针增加0.6 mm，硬度分布表明锥形针加工区平均硬度(63.1 HV)高于圆柱形针(60.4 HV)，这与几何必需位错(GND)密度增加相关。四道次加工后硬度分布更均匀，但平均值下降(锥形针56.5 HV，圆柱形针55.6 HV)。

颗粒分布特性研究取得关键突破：圆柱形针在四道次加工后完全消除"洋葱环"结构，实现均匀分布(体积分数33.44±0.79%)；而锥形针虽产生更大颗粒贫化区(深度1.6 mm)但仍保留明显"洋葱环"结构，且标准偏差更大(33.58±2.15%)。值得注意的是，即使易导致颗粒团聚的锥形针也未观察到颗粒-基体界面缺陷，经Keller试剂腐蚀后显示形成了良好的机械结合界面。

这项研究的重要意义在于首次建立了搅拌针几何形状与FSP加工效果的多尺度关联机制。研究揭示的"高应变率导致大晶粒"的反常现象，以及几何复杂性(锥形针)促进材料流动强度却阻碍微观颗粒分布均匀性的矛盾关系，为FSP工具设计提供了新视角。具体应用建议是：追求均匀颗粒分布的应用推荐圆柱形针；而注重加工效率的场合可选择锥形针，因其增强的剪切变形可减少加工道次。该成果不仅为高性能PRAMCs制备提供了理论指导，其揭示的材料流动-微观结构-性能关联规律对其它固态加工技术也具有借鉴价值。