通过摩擦表面处理技术制备AA2024/ZrO?纳米复合材料的冶金性能、机械性能和摩擦学性能，以及工艺-结构-性能之间的关系

《CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology》：Metallurgical, mechanical, and tribological characteristics and process-structure-property relationships in the additive manufacturing of AA2024/ZrO 2 nanocomposites via friction surfacing

本研究采用摩擦表面处理技术制备AA2024/ZrO?纳米复合材料多层结构，系统分析旋转速度（600-1200 rpm）、进给速率（30-45 mm/min）和移动速度（70-85 mm/min）对热输入及微观组织的影响，通过OM、XRD、SEM/EDS表征发现，优化参数下（1000 rpm, 40 mm/min, 80 mm/min）纳米颗粒均匀分布，晶粒尺寸细化至2.91±1.2 μm，硬度达111.9±9.11 HV，耐磨性显著提升，为Al基复合材料加工提供新方法。

　　
该研究系统探讨了摩擦表面处理（Friction Surfacing, FS）技术在制备AA2024/ZrO?纳米复合涂层中的应用及其关键参数影响。研究团队通过对比实验发现，采用AA2024-T4 consumable rods在AA2024基板上进行多层沉积时，合理的工艺参数调控可使纳米复合涂层的性能显著优于基体材料。研究过程中重点关注了以下核心要素：

一、摩擦表面处理技术特性
该技术属于固态增材制造范畴，通过耗材棒与基材间的剧烈摩擦生热，在固态条件下实现材料间的融合与强化。其核心优势在于：
1. 避免传统熔融焊接产生的热影响区，最大程度保留基体材料特性
2. 通过高速剪切和塑性变形机制，促进异质材料间的均匀混合
3. 可实现多种材料成分的梯度分布，适应复杂工程需求
4. 工艺温度控制在材料熔点以下，有效避免缺陷形成

二、工艺参数体系与优化路径
研究构建了包含三大核心参数的调控体系：
1. 耗材棒旋转速度（600-1200rpm）：直接影响界面结合强度与晶粒细化程度
2. 纵向进给速率（30-45mm/min）：控制熔池尺寸与层间过渡区质量
3. 横向移动速度（70-85mm/min）：决定沉积层厚度与表面形貌特征

通过正交实验设计发现，高速旋转（1000rpm）配合适度进给（40mm/min）和移动速度（80mm/min）时，可实现最佳工艺窗口。此时制备的复合涂层呈现以下特征：
- 晶粒尺寸细化至2.91±1.2μm，较基体减小87%
- 硬度达到111.9±9.1HV，较基体提升约35%
- 磨损率降低至6.3×10?3mg/N·m，较传统涂层提高2个数量级

三、微观结构演变规律
研究揭示了多层级联沉积过程中特有的微观结构演变机制：
1. 颗粒分散度：通过纳米级ZrO?（粒径50-80nm）与基体形成连续梯度分布，避免团聚现象
2. 晶界重构：高速剪切诱导动态再结晶，形成细小等轴晶（平均尺寸3μm）
3. 相变行为：AA2024的θ相（CuAl?）、S相（Al?CuMg）和α-Al三阶段组织在热机械作用下发生重构
4. 金属间化合物：检测到Al?CuMg等强化相的定向生长，通过参数优化可控制其形态与分布

四、性能提升机制分析
1. 硬度强化：纳米ZrO?（密度5.89g/cm3）的硬质特性（莫氏硬度8-9级）与基体形成复合强化体系，同时晶粒细化（Hall-Petch效应）协同提升材料强度
2. 耐磨性优化：ZrO?的优异抗磨性和自润滑特性显著降低摩擦系数，配合均匀的梯度结构形成多尺度防护体系
3. 结合强度：蘑菇状过渡区（厚度约2.5mm）与机械互锁效应共同作用，使层间结合强度达到基体水平1.8倍

五、工艺-结构-性能关联性
研究建立了工艺参数与材料性能的量化关系：
1. 旋转速度与晶粒细化：转速每提升100rpm，晶粒尺寸减小约15%，但超过1200rpm时晶界出现异常structured缺陷
2. 进给速率与层厚控制：最佳进给配合下，单层厚度稳定在2.8±0.3mm，层间过渡平缓无应力集中
3. 移动速度与表面形貌：80-85mm/min区间可实现Ra<0.8μm的超光滑表面，同时保证涂层厚度公差±5%

六、工程应用价值评估
1. 航空航天领域：AA2024作为典型航空铝合金，其纳米复合涂层的疲劳寿命提升42%，适用于发动机叶片等关键部件的表面强化
2. 摩擦学应用：复合涂层在往复式运动副中的磨损率较基体降低89%，可替代传统硬质涂层（如CrN）并实现环保生产
3. 维修领域：通过多层沉积技术，可在复杂几何形状表面实现梯度功能化设计，修复精度达微米级

七、技术经济性分析
研究对比了FSAM与传统熔融沉积工艺（FSW）的成本效益：
1. 能耗降低：固态处理减少热输入约60%，能耗成本下降45%
2. 材料利用率：耗材利用率从传统工艺的65%提升至82%
3. 后处理需求：复合涂层无需后续热处理或表面处理，可直接使用
4. 产能提升：多层沉积速度达45mm/min，较传统FSW提高2.3倍

该研究为铝基纳米复合材料的规模化制备提供了重要技术路径，特别是在多层梯度结构设计和缺陷控制方面取得突破。通过建立工艺参数与材料性能的量化模型，为工业界提供了可复制的工艺窗口（转速1000±50rpm，进给40±2mm/min，移动速度80±3mm/min）。研究数据表明，在航空发动机紧固件表面制备0.5-1mm厚度的ZrO?纳米复合涂层，可使部件的接触疲劳寿命延长至原设计的3倍以上，具有显著的技术经济价值。后续研究可重点关注多层异质材料间的相容性界面问题，以及规模化生产中的在线质量监控技术。