《Journal of Alloys and Compounds》：Property optimisation of alumina-reinforced aluminium-based surface composites through multi-pass friction stir processing
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摩擦搅拌加工制备Al?O?增强铝5052表面复合材料，细化晶粒至10μm，硬度提升31%，抗拉强度和屈服强度分别增加18%和14%，同时保持15.7%延展性。研究表明动态再结晶、奥罗万强化及载荷传递机制共同作用，证实多道次FSP可有效开发高性能表面复合材料。
作者：Shazman Nabi, Sandeep Rathee, Mohammad Farooq Wani
印度查谟和克什米尔邦斯利那加国立技术学院机械工程系，邮编190006
摘要
随着航空航天、汽车和海洋领域对轻质高强度材料需求的增加，传统铝合金通常需要进行表面改性以提升耐磨性和机械性能。为此，采用五道摩擦搅拌加工（FSP）工艺制备了Al?O?增强的Al 5052表面复合材料（SCs），并系统地评估了其微观结构和机械性能。微观结构分析显示，由于FSP引起的动态再结晶作用，基体金属（BM）的平均晶粒尺寸从约100 μm减小到SC中的约10 μm。Al?O?颗粒的均匀分布进一步增强了材料的强度，使显微硬度从基体合金的约85 HV提高至复合材料的约111 HV，提高了31%。拉伸试验表明，材料的抗拉强度（UTS）提高了约18%（从约254 MPa提高到约298 MPa），屈服强度（YS）提高了约14%（从约238 MPa提高到约271 MPa），同时保持了良好的延展性。这些性能提升归因于晶界强化、Orowan强化以及Al?O?增强体对载荷的传递作用。本研究证实，多道FSP工艺是开发具有优异机械性能的高性能铝合金SCs的有效方法，适用于先进工程应用。
引言
随着航空航天、汽车和海洋工程等行业对轻质高性能材料需求的增长，先进表面复合材料（SCs）的发展取得了显著进展[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。虽然整体复合材料具有更好的机械性能，但往往存在生产成本高和加工难度大的问题[6]、[7]。而SCs通过在关键表面区域增强耐磨性、硬度和强度，同时保留基体材料的韧性及延展性，提供了一种理想的解决方案[8]、[9]、[10]。这种选择性强化使得SCs成为那些需要在不增加重量或成本的前提下提升局部耐久性的应用的理想选择[11]、[12]、[13]、[14]。
目前已有多种制备SCs的技术，大致可分为液态和固态工艺[15]、[16]。液态工艺如激光熔覆、等离子喷涂和基于铸造的渗透法，由于处理温度较高，常会出现界面结合不良、孔隙率和热裂纹等问题[17]、[18]。固态工艺如摩擦搅拌加工（FSP）、扩散焊接和滚压焊接则避免了熔化和凝固缺陷[19]、[20]。其中，FSP因其能够生成细晶粒、无缺陷且颗粒分布均匀的微观结构而备受关注[21]、[22]。
FSP作为一种先进的固态工艺，在制备SCs方面具有显著优势，包括通过严重的塑性变形实现晶粒细化、优异的颗粒-基体结合以及极低的孔隙率[23]、[24]。与传统方法不同，FSP可以通过调节工具旋转速度、行进速度和加工次数等参数精确控制增强体的分布和微观结构[25]、[26]、[27]。多道FSP工艺通过反复搅拌材料进一步改善了颗粒分布和机械性能，非常适合生产高性能SCs[28]、[29]。此外，FSP还具有节能、环保的特点，适用于多种基体和增强材料[30]、[31]。
尽管关于基于FSP的SCs的研究较多，但针对Al?O?增强Al-5052复合材料的多道FSP工艺的研究仍较为有限。Al-5052合金以其优异的耐腐蚀性和中等强度广泛应用于海洋和结构领域，但在恶劣环境中通常需要表面改性。本研究探讨了五道FSP对Al?O?增强Al-5052 SCs微观结构演变和机械性能的影响，并与未经改性的基体金属进行了全面对比。本研究的新颖之处在于通过优化多道FSP工艺参数，实现了更好的颗粒分布、晶粒细化和机械性能，为需要高强度、耐磨铝合金组件的工业应用提供了宝贵参考。
材料与方法
本研究使用的基体材料为Al 5052-O合金板，尺寸为200 × 70 × 6 mm3。合金的元素组成通过波长色散X射线荧光光谱仪测定，结果见表1。增强材料为高纯度Al?O?纳米颗粒（粒径约50 nm），在FSP处理前将其填充到Al 5052表面预先加工好的凹槽（尺寸2 mm × 2 mm）中。所用工具为H13钢制非消耗性工具，肩部直径为14 mm。
微观结构演变
采用XRD、OM、FESEM和EDS分析了Al-5052合金及Al?O?增强SC的微观结构特征，分别评估了相的形成、晶粒细化和颗粒分布情况。
结论
- 五道FSP成功将Al 5052的晶粒尺寸从100 μm细化至约10 μm，并使Al?O?纳米颗粒均匀分散且无团聚现象。XRD检测未发现有害相的存在。
- 复合材料的抗拉强度（UTS）比基体合金高约18%（298 MPa），硬度提高约31%（111 HV），同时保持了15.7%的延伸率。
- 晶粒细化、Orowan环效应和载荷传递强化机制共同促进了强度的提升。
作者贡献声明
Shazman Nabi：负责撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、数据可视化、方法论构建及概念构思。
Mohammad Farooq Wani：负责监督工作、资源调配、数据验证、正式分析及概念构思。
Sandeep Rathee：负责撰写、审稿与编辑、结果验证、监督工作、资源调配及形式化分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
