多遍摩擦搅拌加工对铝基聚合物衍生陶瓷复合材料的微观结构演变及力学性能的影响

《Journal of Manufacturing Processes》：Influence of multi-pass friction stir processing on the microstructural evolution and mechanical properties of aluminum-based polymer-derived ceramic composites

　　

摘要

传统的陶瓷增强剂在铝基复合材料（Al MMCs）中常常存在团聚问题、润湿性差、界面结合力弱以及加工难度高等问题，这些因素限制了陶瓷颗粒的均匀分布和材料的热稳定性。聚合物基陶瓷（PDCs）通过前驱体的热解、纳米级分散、优异的界面结合力以及较高的高温性能克服了这些缺点，从而解决了许多传统陶瓷增强剂的局限性。在本研究中，采用多道摩擦搅拌处理（FSP）工艺制备了聚合物基陶瓷（PDC）增强铝复合材料。与四道处理工艺相比（屈服强度100 MPa、抗拉强度220 MPa、延伸率25%、韧性52.6 MJ/m3），八道处理工艺得到的材料性能更优越：屈服强度119 MPa、抗拉强度270 MPa、延伸率29%、韧性63.7 MJ/m3（而基础铝合金的相应指标分别为40 MPa、60 MPa、42%）。增加处理道数促进了动态再结晶作用，使PDC颗粒分布更加均匀，降低了孔隙率，并提升了基体与颗粒间的界面结合力。因此，多道FSP工艺能够显著提升材料的强度-延性平衡，适用于高性能轻质材料的生产。

引言

在航空航天、汽车和能源领域，对具有高强度和热稳定性的轻质结构材料的需求日益增长。铝基复合材料（AMCs）因结合了铝的低密度和陶瓷增强剂的优异力学及摩擦性能而受到广泛关注。与传统陶瓷增强剂（如SiC或Al?O?）相比，铝基复合材料在刚性、耐磨性和高温性能方面取得了显著提升[1]、[2]。然而，这些复合材料仍存在颗粒团聚、界面不兼容以及延性有限的问题，这是由于传统陶瓷增强剂的脆性所致。

为了解决这些问题，聚合物基陶瓷（PDCs）作为一种有前景的增强体系应运而生。基于SiOC的PDC材料具有非晶结构、高热稳定性、抗氧化性以及可调的纳米级微观结构[3]。PDC材料能够在原位形成纳米级陶瓷相，从而实现与铝基体的良好结合。因此，与传统的颗粒增强体系相比，PDC增强的铝复合材料在强度-延性平衡方面具有更大潜力[4]。

在各种复合材料制备方法中，摩擦搅拌处理（FSP）是一种有效的固态改性和复合材料制造技术。该技术源于摩擦搅拌焊接，通过旋转工具产生的强烈塑性变形和材料流动实现动态再结晶和显著的晶粒细化[5]。先前的研究表明，FSP能够有效分布增强颗粒、消除铸造缺陷，并提升铝合金和复合材料的力学性能[6]。

多道处理对FSP过程中的微观结构演变具有显著影响。多次处理能够通过反复的严重塑性变形进一步改善颗粒分布和微观结构的均匀性。增加处理道数有助于促进晶粒细化、颗粒团聚体的破碎以及基体与颗粒间的结合力提升，最终提升材料的力学性能[7]、[8]。尽管取得了这些进展，但关于多道FSP处理聚合物基陶瓷增强铝复合材料的研究仍较为有限。

本研究探讨了多次FSP处理对Al-PDC复合材料微观结构和力学性能的影响，重点关注了晶粒结构、增强颗粒分布及强度提升机制的变化。研究结果为PDC增强铝复合材料的加工-微观结构-性能关系提供了有益见解，并展示了多道FSP工艺在开发高性能轻质材料方面的潜力。

章节摘录

材料与复合材料制备

本研究中使用的铝板尺寸约为210 mm × 75 mm × 6 mm。在每块板上加工出宽3 mm、深4 mm的凹槽，并填充聚合物颗粒。为固定增强颗粒，使用液压机将厚度为2 mm的相同基底材料制成的覆盖条压入凹槽中。之后将铝板翻转，从另一侧进行摩擦搅拌处理（FSP）。

采用五轴摩擦搅拌设备进行加工。

FSP处理过程中的微观结构演变

图3和图4展示了不同FSP处理次数下复合材料的微观结构变化。扫描电子显微镜（SEM）观察结果表明，随着FSP处理次数的增加，增强颗粒变得更加细化，其在铝基体中的分布也更加均匀。在四道处理条件下（图3(a)），颗粒相对较粗且局部聚集；而在八道处理条件下（图3(b)），颗粒变得更细小且分布更均匀。

结论

• 1.
  多道摩擦搅拌处理显著细化了Al-PDC复合材料的微观结构，由于动态再结晶作用，基体合金的晶粒尺寸从约100 μm减小到四道处理后的约6 μm，八道处理后的约3 μm。
• 2.
  增加FSP处理次数有助于颗粒破碎和分布优化，同时降低孔隙率，从而使微观结构更加均匀。
• 八道处理后的复合材料具有更优异的力学性能，屈服强度为119 MPa，抗拉强度...

作者贡献声明

Bindu Gutta：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法验证、实验设计、数据分析、概念框架构建。 Prashant Huilgol：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法验证、实验设计、数据分析、概念框架构建。 Satish V. Kailas：负责撰写、审稿与编辑、方法验证、项目管理、资源协调、实验设计、资金筹措以及整体研究指导。

利益冲突声明

本文所述工作未曾发表过，也未被其他机构考虑发表。本文的发表已获得所有作者的同意，在适用情况下还需获得研究所在机构的批准。若被接受，本文不得以相同形式或任何其他语言（包括电子形式）在其他地方发表，未经版权所有者书面许可。

致谢

Bindu Gutta感谢印度人力资源开发部在研究期间提供的博士奖学金支持。