IMC/Al功能梯度复合材料的搅拌摩擦增材制造、形成机理及力学行为

Intermetallic compounds reinforced aluminum matrix (IMC/Al)functionally graded material(FGM) can meet the needs of the wear-resistant components as a light weight & high strength & high wear resistancce in surface layer but high toughness & high fatigue performance in overall. However, the current manufacturing process is more difficult to control the microstructure. The project provides a new way to in-situ synthesis IMC/Al FGM, named friction stir additive manufacturing (FSAM) which combined with the technical advantages of friction stir processing & additive manufacturing and structural features of FGM. FGM has been produced layer by layer with using of Aluminum alloy plate and alloy powder as raw material.As a result, the nano-surface will form with rapid cooling of FSAM. With the method of comparative experiment and theoretical analysis & calculatio , the microstructural evolution and formation of gradient layer have been investigated, the mechanical behavior of IMA/Al FGM has been analyzed. The other purpose of the project is revealing in-situ synthesis mechanism of IMA/Al FGM via friction stir additive manufacturing, understanding the microstructure evolution of the reaction process. The success of the research can provided a theoretical basis for the industrial application of FSAM in-situ preparation intermetallic compounds reinforced aluminum matrix FGM composites.

金属间化合物增强铝基（IMC/Al）功能梯度复合材料满足了耐磨部件要求轻量化、表面高耐磨，而整体要求高韧性和疲劳性能的需要，但目前的制备工艺对材料的结构调控较为困难。本项目结合搅拌摩擦加工、增材制造技术特点和功能梯度材料的结构特点提出的搅拌摩擦增材制造技术为原位合成IMC/Al功能梯度复合材料提供新途径。利用铝合金板和合金粉末作为原始材料，采用多步搅拌摩擦加工的方式，逐层制备出IMC/Al功能梯度复合材料，并形成纳米表层。 项目采用对比试验研究、理论分析计算的研究方法，研究材料的组织演化和梯度层的形成规律，并对材料的综合力学行为进行分析，揭示搅拌摩擦增材制造原位合成IMC/Al功能梯度复合材料中增强相的形成机理，把握反应过程中的组织演化规律，获得功能梯度复合材料结构-综合机械性能相关性规律，为搅拌摩擦增材制造原位制备IMC/Al功能梯度复合材料的工业化应用提供理论依据和技术基础。

金属间化合物增强铝基（IMC/Al）功能梯度复合材料满足了耐磨部件要求轻量化、表面高耐磨，而整体要求高韧性的需要，但目前的制备工艺对材料的结构调控较为困难。本项目结合搅拌摩擦加工、增材制造技术和功能梯度材料结构的特点研发的搅拌摩擦增材制造技术为原位合成IMC/Al梯度复合材料提供新途径。项目利用铝合金板和合金粉末作为原始材料，采用多步搅拌摩擦加工的方式，逐层制备出了IMC/Al梯度复合材料。研究了FSAM原位合成复合材料中增强相的形成影响因素，建立了FSAM制备复合材料过程中金属间化合物形成的物理模型，并通过改变加工工艺、添加催化剂等措施对金属间化合物种类、大小和数量进行有效调控，提高了复合材料的强度和质量稳定性。.研究表明，搅拌头形状、粉末种类及形状对金属间化合物形成有重要影响，大锥度搅拌头、球形镍粉有利于获得更好的复合材料。后热处理虽能提高复合材料中IMC的含量，但会降低复合材料抗拉强度。FSAM制备Al-Ni复合材料的过程中加入PTFE、La2O3、CeO2可以显著改善Al-Ni复合材料复合区的均匀性。在一定范围内，随着PTFE含量的增加，复合材料的均匀性逐步增加，当PTFE添加量为7%时，复合材料强化效果最好。此时，Al-Ni复合材料拉伸强度达到233MPa，较添加纯Ni制备Al-Ni复合材料拉伸强度提升了42.9%。当ReO (La2O3或CeO2)的添加量为5wt%时，(Ni+ReO)/Al复合材料中Al3Ni增强相颗粒分布较为均匀，且含量最高，块状的Ni粉团聚减少，复合材料的组织最佳；此时，抗拉强度达到最大值，分别为221MPa和238MPa。相比未添加ReO的复合材料，抗拉强度分别提高了33.1%和43.3%。.搅拌针端部形状为渐开线时，制备的Al-Ni梯度复合材料为准梯度材料。相同增强相含量组成的复合区具有一定的宽度，只有在相邻层间存在浓度梯度，且相邻层的重叠区域的增强体含量介于两层含量之间，从而起到了衔接和过渡的作用。制备的Al-Ni梯度复合材料个梯度层的抗拉强度、摩擦系数和磨损率呈现准梯度变化。底层、中心层、顶层对应的抗拉强度与原始复合材料相比较分别提高了8.0%、9.2%、10.9%。.