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铝基复合材料——陶瓷颗粒增强的铝合金AMC

观锐器发布于 6月前

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       运用摩擦搅拌加工技术，增加材料的硬度和耐磨性，降低设备维护成本，提高使用寿命。
       过去几十年来，人们一直在开发各种结构复合材料，以提升航空航天和汽车应用中的材料性能。
       其中一种被广泛研究和应用的材料，是铝基复合材料，它由陶瓷颗粒增强的铝合金构成。AMC相比传统铝合金，具有更好的机械和摩擦学性能，因此被认为是这些行业中的理想材料。
       AMC具备陶瓷颗粒和铝合金之间，独特的性能组合，如轻质、高比强度和硬度、低热膨胀系数、高耐磨性和高温稳定性。长期以来，碳化硅和氧化铝一直被用作AMC的增强材料。
       但由于生产方法的限制，近年来随着生产技术的进步，使用其他潜在的陶瓷颗粒增强的AMC，也将成为可能。
       石英颗粒作为AMC的增强材料，开始受到广泛关注，石英分为纯石英和熔融石英，它们都是由二氧化硅组成的，具有低比重、出色的硬度，和相对较高的熔点。
       本研究使用尺寸为6063mm×100mm×50mm的铝合金AA10板，采用线切割电火花加工沿板的中心线，制作了一个深度为5.5毫米的凹槽，并使用石英颗粒对其进行压实。所使用的石英颗粒平均尺寸为32μm。
       研究人员使用工具覆盖了填充石英颗粒后的凹槽顶部，以防止颗粒在后续的FSP过程中溢出。
       同时还使用了一台国内制造的FSW机器，进行了FSP过程，所采用的工艺参数如下：刀具转速为1600rpm，移动速度为60mm/min，轴向力为10kN，刀具倾斜角度为0°。
       这些工艺参数是通过大量试验实验选择的，以确保搅拌区域无缺陷，研究人员通过在三块板上，改变凹槽宽度来完成FSP过程，并分别使用四个不同级别的石英颗粒体积分数，其中零体积分数，表示未经过FSP处理的铝合金AA6063。
       通过在垂直于加工方向的中心，切割摩擦搅拌加工板来获得样品，并且按照标准金相程序，对其进行抛光，并用凯勒试剂进行蚀刻，进而可以使用光学显微镜、扫描电子显微镜以及电子背散射衍射，来观察样品的微观结构。
       EBSD方向图记录了垂直于FSP方向的导向，为了评估AA04/石英复合材料，在室温下的滑动磨损行为，研究人员根据ASTMG6063-20A标准，使用了销盘磨损装置，并通过WEDM从复合材料的FSP区域，制备了尺寸为6mm×6mm×40mm的引脚。
       磨损试验必须在滑动速度为1.0m/s、法向力为20N，以及滑动距离为3000m的条件下进行，销通过抛光表面，在硬化的铬钢盘上进行滑动。
       体积损失，是通过将测试引脚的横截面积，乘以其高度损失来计算的，磨损率则是通过将体积损失，除以滑动距离得到的，研究人员使用SEM观察了试样的磨损表面，并使用SEM，对配合面表面的磨损碎屑进行表征。
       这项研究使用石了英颗粒处理的摩擦，搅拌AA6063材料，具有典型的冠状外观，这个冠状区域，是由于旋转工具的摩擦作用形成的，它表面光滑，没有凹陷、空隙和不连续性，冠部上有半圆形的条纹，这些条纹的间距取决于，横向移动和刀具转速之间的比例。
       物料在搅拌区域的流动期间，光滑的冠部尤为重要，因为它可以防止内部缺陷的形成，需要使用AA6063/石英AMC处理的样品，在电子显微镜(SEM)扫描的照片中显示，扫描结果发现，石英颗粒会均匀地分布在整个铝基体上。
       在搅拌过程中，塑化的铝流动使初始凹槽塌陷，旋转工具的激烈搅拌作用将凹槽中的石英颗粒，与塑化的铝混合在一起。
       研究表明，石英颗粒的分布与刀具的转速有关，而这项工作采用了优化的刀具转速，使石英颗粒可以均匀分布在铝基体中。
       观察SEM照片可以发现，大多数石英颗粒位于晶界内部，并没有沿着晶界的偏析或形成网络，石英颗粒的分布完全是在颗粒内部的，这种分布对AMC的机械和摩擦性能有很大影响。
       由于铝基体和陶瓷颗粒之间的密度梯度，导致了颗粒在铝基体中的巨大运动，但FSP是一种固态加工方法，并没有铝基体熔化，因此颗粒的自由运动受到了阻止。
       FSP过程，会对搅拌材料产生强烈的塑性应变，这倾向于碎裂和改变陶瓷颗粒的形状和大小，与初始形态相比，石英颗粒的形状和大小发生了很大变化，旋转工具的激烈搅拌，使得石英颗粒的尖角被敲掉。
       由此便可以让碎片与塑化的铝混合得很好，并且能在AMC中均匀分布，碎片的尺寸相当小，约为纳米到几微米，这种尺寸变化，导致了AMC内部局部区域的功能分级。
       而在没有石英颗粒的情况下，增塑铝合金还会受到配合面粗糙度的切割作用，切割作用和块状材料的去除，在磨损表面上形成了坑洞。
       可以说，通过该技术，可以制备出具有高强度、耐磨性和抗冲击性的复合材料，为工程领域提供更可靠的材料解决方案。
       未来，随着技术的不断进步，这种复合材料将在多个领域中发挥重要作用，推动材料科学的发展和创新。