SiC颗粒增强铝基复合材料成形困难，不妨试试近净成形的CaSSFSP新技术！

4月前浏览636

导语：SiC颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高比模量等优势，广泛应用于航空航天等领域，但面临制备、成形等方面的困难。东南大学先进焊接与增材制造团队联合西北工业大学团队在《Tribology International》发表的最新研究成果，提出了一种隧道成形辅助静轴肩搅拌摩擦加工（CaSSFSP）技术，通过组合搅拌摩擦隧道成形（FSC）和静轴肩搅拌摩擦加工（SSFSP），实现了SiC颗粒增强铝基复合材料的近净成形。该研究为金属基复合材料的制备和成形一体化提供了新思路。

SiC颗粒增强铝基复合材料制备与成形面临的挑战

颗粒增强金属基复合材料（MMCs）因其高比强度、高比模量、优异的耐磨性、低热膨胀系数等特点，已在航空航天、汽车工业及军事装备领域得到广泛应用。铝合金因密度低、比强度高、成本低廉，通常被选为颗粒增强金属基复合材料的基体材料。同时，碳化硅（SiC）颗粒具有高强度、高硬度、良好的热稳定性、优异的耐磨性以及相对较低的成本，被视为颗粒增强金属基复合材料的理想增强体。

在各类颗粒增强金属基复合材料中，碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al 复合材料）因兼具 SiC 颗粒与铝合金的优良性能，已得到大量研究与广泛应用。目前，SiCp/Al 复合材料的制备方法主要包括粉末冶金、搅拌铸造、挤压浸渗以及半固态铸造等。在这些方法中，粉末冶金（PM）是最具潜力的工艺之一。作为一种典型的固态加工技术，粉末冶金可精确调控材料化学成分，并有效抑制界面反应。然而，粉末冶金制备的材料固有的内部空隙缺陷往往难以完全消除，限制了复合材料综合性能的进一步提升。同时，由于材料内部含有硬质SiC颗粒，塑性较差，后续成形和机加工难度较高。

搅拌摩擦加工制备SiCp/Al 复合材料的优势及缺点

搅拌摩擦加工（FSP）也是一种固态加工技术，因其在制备表面复合材料方面具有独特优势而得到广泛研究，同时，通过多道次遍历加工，该技术也可用于制备整体复合材料。在常规搅拌摩擦加工过程中，搅拌针的剧烈搅拌有助于消除孔隙并实现颗粒的均匀分布。有研究将 FSP 作为粉末冶金制备 SiCp/Al 复合材料的二次处理工艺，可以显著降低复合材料的孔隙率并提升其力学性能。然而，常规搅拌摩擦加工方法制备复合材料需要先在铝合金基体上预制凹槽或盲孔，再将 SiC 颗粒填入其中，然后进行搅拌摩擦加工。这种方法存在两个突出缺点：（1）SiC颗粒在FSP过程中容易从凹槽或盲孔中溢出，导致最终制得的复合材料的成分比例不可控；（2）进行多道次搅拌摩擦加工时，轴肩的渐次压入会使加工区域逐渐减薄，铝合金基体被复合化以后，其尺寸相较于原来的尺寸发生了较大变化。

隧道成形辅助静轴肩搅拌摩擦加工新技术

针对上述问题，本研究提出将搅拌摩擦隧道成形（FSC）技术与静轴肩搅拌摩擦加工（SSFSP）技术进行组合，形成了隧道成形辅助静轴肩搅拌摩擦加工（CaSSFSP）新技术。该技术首先利用FSC在铝合金基体内部制备贯通的隧道，同时将多余材料暂时抬高，沉积在工件表面，如图1a所示；其次，采用药匙将SiC颗粒从隧道的开口端填入隧道内部并压实，如图1b所示；最后，从隧道开口端开始，采用SSFSP进行多道次搅拌摩擦加工，如图1c所示。一方面，通过搅拌可使SiC颗粒与铝合金基体混合均匀，实现材料的精准复合化（无SiC颗粒溢出，复合材料的成分比例精确可控）；另一方面，通过控制每道次加工的下压量，将FSC期间沉积在工件表面的材料重新回填，确保最后一道加工后，加工区的高度与周围基体保持一致，多余材料在加工过程中以切屑的形式被去除，最终实现近净成形。本研究采用CaSSFSP技术，成功制备了10%SiCp/2024Al复合材料，实现了铝基复合材料的原位制备和近净成形，为金属基复材领域提供了一种“先成形，后复合”的复材制备-成形新思路。

图1 隧道成形辅助静轴肩搅拌摩擦加工技术路线图

主要研究结果

通过宏微观表征和力学性能测试，团队揭示了CaSSFSP技术制备的SiCp/2024Al复合材料的工艺特性、微观组织和力学性能。重要结果如下：

1. 近净成形效果

图2-4依次展示了FSC加工、两道次SSFSP加工和四道次SSFSP加工后工件的表面宏观形貌和搅拌区的横截面宏观形貌。可以看出，FSC加工后，搅拌区内部形成贯通隧道，多余材料被抬升至工件表面，搅拌区的高度高于周围基体材料。两道次和四道次加工后，工件表面光滑平整，搅拌区形成一个形状较为规则的复合材料区，同时搅拌区的高度恢复至正常，与周围基体保持一致。

图2 FSC加工后的工件表面形貌（a）和搅拌区横截面形貌（b）

图3 两道次SSFSP加工后的工件表面形貌（c）和搅拌区横截面形貌（d）

图4 四道次SSFSP加工后的工件表面形貌（a）和搅拌区横截面形貌（b）

2. 复合材料的微观组织

图5和图6展示了两道次SSFSP和四道次SSFSP加工后搅拌区的微观组织形貌。两道次加工后，搅拌区中心出现洋葱环结构，形成富颗粒区和贫颗粒区，复合材料的均匀性不佳。四道次加工后，出现洋葱环结构的区域面积显著缩小，复合材料的均匀性显著提升。

图5 两道次SSFSP加工后的复合材料微观组织

图6 四道次SSFSP加工后的复合材料微观组织

图7和图8展示了四道次SSFSP加工后的复合材料经T6热处理前后的微观组织。T6热处理前后，晶粒尺寸未发生显著变化，表明SiC颗粒具有良好的晶界钉扎作用，避免了铝合金常规FSP后热处理中易出现的晶粒异常长大现象。

图7 T6热处理前后四道次SSFSP加工后的复合材料微观组织（SEM表征）：（a）热处理前；（b）热处理后

图8 T6热处理前后四道次SSFSP加工后的复合材料微观组织（EBSD表征）：（a）热处理前；（b）热处理后

3. 复材材料的力学性能

图9展示了四道次SSFSP加工的样品经T6热处理前后的力学性能变化。可以看出，未热处理的复材与同等状态的铝合金相比，硬度高10HV左右，屈服强度高29MPa，热处理后，复材的硬度提升至140HV左右，屈服强度提升至364.1MPa，较未热处理提高115MPa，较2024-T4铝合金提高52MPa。材料复合化后，弹性模量从74.8提升至92.7。

图9 四道次SSFSP加工后复合材料的力学性能：（a）热处理前；（b）热处理后；（c）和（d）中，S4 matrix表示2024铝合金经四道次SSFSP处理，S4表示复材热处理前，S4 with T6表示复材T6热处理后