增强颗粒对FSP 制备7075 铝基复合材料冲击性能的影响

刘胜荣 汪洪峰 蒲家飞 葛小乐 董 旗

（黄山学院，安徽 黄山 245041）

—、引言

随着航空航天、 汽车等行业节能环保需求的快速增长， 轻量化已成为这些行业追求的目标之一[1]。为了实现产品的轻量化， 铝合金被广泛的应用于航空航天、 汽车等行业[2-3]。 7075 铝合金由于具有良好的综合力学性能，在飞机的桁条、骨架、翼盒和安定面等部位使用最为普遍。 但由于飞机等飞行器在气流层飞行过程中受气流颠簸产生不规则的交变载荷作用，这就对7075 铝合金的抗冲击性能提出了更高的要求。

搅拌摩擦加工（FSP）是在搅拌摩擦焊(FSW)的基础上发展起来的一种新型固态加工技术[4-5]，在制备铝基复合材料的应用方面， 国内外学者进行了大量研究。 但承益等人[6]对原位自生TiB2/7075 复合材料进行FSP 后的材料进行了强化处理， 发现强度和塑性都得到了提高。刘奋成等人[7]用FSP 制备了碳纳米管增强7075 铝基复合材料，发现随着碳纳米管含量的增加，复合材料的疲劳性能逐渐提高，抗拉强度逐渐减小。 李念军等人[8]发现7075 铝合金FSP 后加工区域硬度分布曲线呈“W”型分布，硬度最低值出现在后退侧的热影响区，经拉伸试验后，断裂位置出现在硬度最低处。史清宇等人[9]采用多道次FSP 的方法成功制备出碳纤维增强铝基复合材料， 并发现复合材料的抗拉强度和延伸率都得到了提升。 Rajan H B M等[10]研究了FSP 前后AA7075/TiB2铝基复合材料的微观结构、 机械性能和磨损性能， 发现TiB2颗粒在FSP 过程中破碎，并沿晶界分布，晶粒得到了显著细化，与基体结合性良好，机械性能和磨损性能得到了显著提高。C.M. Rejil 等人[11]采用FSP 技术制备了TiC与B4C 铝基复合材料，发现随着B4C 含量的增加，磨损率先减小后增大，当TiC 与B4C 含量相同时，磨损率最低。 Xu Chensu 等[12]采用FSP 制备了原位TiB2/7075 铝基复合材料，发现晶粒得到了细化，拉伸强度和延伸率得到了显著提高。

以上研究者虽然研究了利用FSP 制备铝基复合材料的相关性能， 但针对植入增强颗粒对铝基复合材料耐冲击性能影响的研究尚未发现， 而在飞机上使用的7075 铝合金往往更需要良好的耐冲击性能，以提高其在空中飞行的安全性。 本文正是针对这个原因，探索性的利用FSP 技术在7075 铝合金板材中分别植入TiB2、TiC 和Cf（碳纤维）制备复合材料，分析不同增强颗粒对7075 铝基复合材料耐冲击性能的影响规律，为实际工程应用提供理论支持。

关键词是对文献内容的高度概括，能够很好地反映某一领域的研究热点与学者关注的焦点。本文将近十年发表在CSSCI中与武术文化相关的文献作为数据来源，采用CiteSpace软件绘制关键词知识图谱。在CiteSpace界面中选择网络节点(node types)为Keywords，算法选择关键路径(pathfinder)算法，数据抽取对象为top50，设置时间区间(time slicing)的值为1，分析时间为2007-2017年。运行后得到武术文化研究的关键词共现图谱，如图5所示。

二、实验材料与方法

（一）实验材料

习近平总书记号召青年“在奋斗中释放青春激情、追逐青春理想，以青春之我、奋斗之我，为民族复兴铺路架桥，为祖国建设添砖加瓦。”

伴随企业的发展，在企业集团战略性成本管理创设中，应该将成本企划作为企业集团的重点，按照企业经营领域以及产品方向定位，进行产品成本管理方案的设计，提升企业运行的价值性。在企业成本企划的过程中，其作为一种现代性的成本管理方案，可以对企业新产品的发展进行规划，结合战略性的发展目标，进行成本管理制度的创新，为企业成本管理理念的确定提供支持。而且，在企业成本企划中，相关人员应该结合预期销售的内容，确定期望利润，明确目标的成本，并根据这些内容进行产品工艺流程、流通加工以及包装成本等问题的确定，展现企业集团成本企划工作的价值性[3]。

表1 7075 铝合金的化学成分（质量分数%）

3.3 动物行为的生理基础 提问： 哪种动物的学习能力更强？学生易想到人类自己，引发学生思考： 说话是不是人类一生都在学习和使用的技能？让学生感受学习说话是一项复杂的学习行为。同时，以视频“一只说中文的猫”(猫发出类似中文“我要鱼”，“我要牛肉面”的声音)引导学生判断： 动物(非人类)能学会说话吗？请学生以举手的形式初步选择立场。

JB－W300B 型冲击设备， 在室温下，选用冲击能量为150J 摆锤冲击FSP区测试抗冲击性能，记录试样吸收能量计算冲击韧性，并借助日立S-3400N 型扫描电镜（SEM）观察断裂口形貌和断裂形式，分析增强颗粒对其冲击性能影响。

图1 搅拌摩擦焊设备与搅拌头照片

对7075 铝合金进行FSP 实验前， 先将7075 铝合金板材用金相砂纸去除表面氧化层后用水冲洗表面，将打磨的氧化物及灰尘洗掉，然后用无水乙醇对清洗干净的板材表面再次进行清洗， 并用吹风机吹干备用。 把TiB2粉末、TiC 粉末和Cf粉末分别与7075Al 粉末按1：9 的比例混合均匀， 然后分别将混合均匀的TiB2/7075Al 粉末、TiC/7075Al 粉末、和Cf/7075Al 填充至板材上的矩形槽内， 压实后用盖板盖住，形成实验试样。

FSP 实验时先用无针搅拌头进行封槽，封槽时无针搅拌头的旋转速度为700r/min，搅拌头前进速度为40 mm/min，其封槽的目的是使盖板在轴肩压力下下沉槽内，让混合粉末填充的更紧密，同时防止后续搅拌摩擦加工时盖板翘边将粉末犁出板外。 封槽后用带针搅拌头进行FSP 实验， 其加工参数为旋转速度700 r/min，前进速度20 mm/min，其工艺参数见表2。

（一）FSP 实验结果分析

表2 FSP 工艺参数表

实验设备采用北京赛福斯特有限公司研发的FSW-LM-A10 型搅拌摩擦焊设备，如图1(a)所示。 设备所使用的搅拌头分别为轴肩20 mm 无针搅拌头和带有右旋螺纹锥形搅拌针的搅拌头，搅拌针长度为8 mm，小端直径5 mm，大端直径10 mm，轴肩直径为24 mm，轴肩上刻有凹槽，如图1(b)和1(c)所示。

（二）实验设备与方法

图2 冲击试样

三、实验结果分析

经过FSP 实验后， 根据国标GB/T 229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法， 使用线切割机床制备55×10×10mm（长×宽×高）的“V”型冲击试样（如图2 所示），借助济南新试金试验机有限公司生产的

本实验基体材料采用热轧制7075 铝合金板材，其具体化学成分如表1 所示。 铝板尺寸为200×200×10 mm，其上开有150×4×5mm（长×宽×深）矩形槽，并配有150×4×2 mm（长×宽×深）的7075 盖板，粉末材料分别是平均粒径均为5μm 的TiB2、TiC 和7075Al，其大致形貌均为球形， 分布集中度均为99.5%,Cf为直径为5μm，长度为1mm 的短切碳纤维。

图3 为表2 中利用FSP 技术植入不同增强颗粒后复合材料的外观形貌。 从图中可以看出，经过FSP后，加工区域表面质量好，无明显飞边、沟槽等缺陷。整个加工区飞边主要出现在前进侧， 但加工区起始位置出现后退侧材料溢出堆积， 前进侧飞边较少现象。 主要原因是搅拌头初始沉入加工区内部过程中，右旋的搅拌针在主轴反转时将基材抽出， 附着在板材表面， 随着搅拌头的完全沉入基材内部轴肩压实板材表面， 导致抽出的材料随着轴肩的旋转从前进侧迁移到后退侧。 当搅拌头前进过程中前进侧的材料不断随着搅拌针转动从前进侧迁移到后退侧然后再迁移到前进侧，整个过程实现了循环。 加工区表面出现不明显的搅拌半圆弧纹路， 主要原因是搅拌头在2.6°倾角下，由于装夹工作台及板材表面不平整，导致轴肩边缘在搅拌时相对板材表面下压量不同产生无明显波纹。

图3 植入不同增强颗粒后的外观形貌

从表3 可以看出：试样编号1、2、3 分别利用FSP技术植入增强颗粒TiB2、TiC 和Cf后，其冲击韧性明显高于母材，提高的效果依次为Cf＞TiC＞TiB2，其中植入Cf颗粒后其冲击韧性是母材的1.85 倍。 冲击韧性得到大幅提升的原因有二个方面： 一是由于FSP 作为一种新型固态加工技术， 可以通过搅拌摩擦产生的热和塑性变形来细化晶粒，均匀化微观组织，从而大幅提高材料的冲击性能， 二是由于植入的增强颗粒具备良好的力学性能，TiC 具有高硬度、高熔点、高弹性模量和