劉勝榮，蒲家飛，葛小樂(lè)，汪洪峰，董 旗

（黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山 245041）

1 引 言

近年來(lái)，隨著航空航天、汽車等行業(yè)對(duì)輕量化的迫切需求[1,2]，由于7075鋁合金具有較好的力學(xué)性能，在航空航天、汽車等制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]，特別是在飛機(jī)的桁條、骨架、翼盒和安定面等部位使用最為普遍。為了提高飛機(jī)的飛行過(guò)程中的安全性能，其使用的材料7075鋁合金的性能特別是材料的硬度性能的提升得到了廣泛的關(guān)注。

攪拌摩擦加工技術(shù)[4,5]（FSP）是一種新型材料改性技術(shù)，其通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)攪拌頭在鋁合金表面進(jìn)行攪拌擠壓成型獲得改性的表層以提高材料的性能，這種技術(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定的研究。Mihsra等人[6,7]通過(guò)FSP改性7075鋁合金獲得了細(xì)晶組織，進(jìn)而獲得較好的性能；劉峰超等人[8]利用FSP對(duì)變形能力差的鑄態(tài)7075鋁合金進(jìn)行改性，通過(guò)兩道次重疊加工，獲得了均勻的細(xì)小等軸晶組織，提高了鋁合金的性能；劉文燦等人[9]研究了固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)7075合金在FSP 后的顯微形貌演變，探討了鋁合金性能變化規(guī)律。彭滔等人[10]對(duì)7075 高強(qiáng)鋁合金進(jìn)行FSP，通過(guò)急停加工技術(shù)使得攪拌摩擦加工過(guò)程中攪拌頭周圍微觀組織結(jié)構(gòu)的瞬間狀態(tài)凍結(jié)，采用EBSD 技術(shù)對(duì)急停加工匙孔周圍及焊核區(qū)的微觀組織進(jìn)行表征。Ramesh R 等[11]采用攪拌摩擦加工(FSP)工藝制備了7075-T651Al/B4C 復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的平均硬度比母材鋁7075-T651的平均硬度高62%。Sudarshan Kumar 等[12]利用攪拌摩擦加工技術(shù)在7075-T651Al基體中添加3.5 μ m的TiC顆粒,分別制備了體積分?jǐn)?shù)為2%、4%和6%的Al 7075/TiC 復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)隨著TiC 體積分?jǐn)?shù)的增加硬度也在增加，焊核區(qū)硬度最高。Tonelli L 等[13]使用無(wú)針攪拌頭和錐形針攪拌頭通過(guò)攪拌摩擦加工技術(shù)在AA7075表面植入B4C顆粒制備了表面復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)添加B4C 顆粒，經(jīng)過(guò)攪拌摩擦加工后的材料硬度得到了提高。Refat M 等[14]在攪拌工具傾角為3°、前進(jìn)速度為40mm/min、旋轉(zhuǎn)速度為500rpm的條件下，對(duì)鋁合金7075（AA7075-O）在加入和不加入氧化鋁納米粒子（Al2O3）的情況下進(jìn)行四道次的攪拌摩擦加工（FSP），研究了FSP 前后復(fù)合材料的硬度性能，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是否添加氧化鋁納米粒子，其硬度性能都得到大幅提高，但添加氧化鋁納米粒子后，其硬度性能的提高幅度更大。

以上研究者雖然研究了通過(guò)FSP 提升7075 鋁合金改性層的性能，但針對(duì)改性層不同區(qū)域硬度的分布規(guī)律研究較少，而往往局部的硬度分布情況對(duì)飛機(jī)等飛行器的安全飛行有著重要的影響。本文對(duì)軋制態(tài)7075鋁合金進(jìn)行FSP改性制備改性層，分析改性層不同區(qū)域硬度的分布規(guī)律，為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論支持。

2 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用熱軋制7075鋁合金板材，具體化學(xué)成分如表1所示，鋁板尺寸為200×200×10mm。

表1 7075鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用北京賽福斯特有限公司研發(fā)的FSW-LM-A10型攪拌摩擦加工設(shè)備，并配備帶有右旋螺紋錐形攪拌針的攪拌頭，攪拌針長(zhǎng)度為10mm，小端直徑5mm，大端直徑10mm，軸肩直徑為24mm，軸肩上刻有凹槽。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 攪拌摩擦加工實(shí)驗(yàn)

加工前先用320#砂紙去除7075 鋁合金板材表面氧化層，并用無(wú)水乙醇進(jìn)行擦洗吹干。利用FSW-LM-A10 型攪拌摩擦加工設(shè)備在7075 鋁合金板材上進(jìn)行攪拌摩擦加工，加工過(guò)程中攪拌頭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，攪拌頭傾角2.60，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1000r/min，前進(jìn)速度為60mm/min。加工原理如圖1所示。

圖1 攪拌摩擦加工原理示意圖

3.2 顯微硬度實(shí)驗(yàn)

采用線切割機(jī)床沿加工區(qū)方向切割硬度樣件，尺寸為 24mm×10mm×10mm，經(jīng)過(guò)（320#、600#、1000#、1400#）砂紙和MP-2B 型磨拋機(jī)進(jìn)行打磨和拋光成鏡面狀態(tài)。借助HV－1000型顯微硬度儀進(jìn)行顯微硬度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)加載力為0.5Kg，加載時(shí)間為10S，對(duì)改性層不同區(qū)域的硬度值進(jìn)行采集。

1.從垂直方向由上到下每隔0.5mm采集一個(gè)硬度值，探討加工深度方向上硬度的分布規(guī)律，實(shí)驗(yàn)方法如圖2（a）所示；

2.從水平方向由前進(jìn)側(cè)到后退側(cè)每隔0.5mm采集一個(gè)硬度值，分析前進(jìn)側(cè)到后退側(cè)的硬度變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)方法如圖2（b）所示；

3.從攪拌摩擦加工的前進(jìn)方向由加工開始到結(jié)束每隔2mm采集一個(gè)硬度值，研究攪拌摩擦加工前進(jìn)方向上硬度的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)方法如圖2（c）所示。

圖2 攪拌摩擦加工改性區(qū)顯微硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 加工深度方向顯微硬度分析

圖3 為FSP 改性區(qū)加工深度方向的硬度曲線圖，從圖中可以看出，硬度值整體呈中間大兩邊小的分布，峰值在加工表面下方5mm處，可達(dá)170HV，兩邊硬度小的主要原因是加工表面在軸肩作用下溫度高塑變程度高，出現(xiàn)微觀缺陷，而加工深度方向的底部，攪拌針機(jī)械作用小攪拌不充分且溫度不夠，導(dǎo)致塑變程度底，中間硬度高的主要原因是攪拌針的機(jī)械作用使材料由上往下回填，在中間位置（5mm處）回填效果最好，材料致密度最高，硬度最高。

圖3 FSP改性區(qū)加工深度方向的硬度曲線圖

4.2 水平方向顯微硬度分析

圖4 為FSP 改性區(qū)水平方向的硬度曲線圖，從圖中可以看出，硬度值從前進(jìn)側(cè)到后退側(cè)呈先增加后減小的趨勢(shì)，其峰值偏向于后退側(cè)位置，且后退側(cè)的硬度明顯高于前進(jìn)側(cè)，這是因?yàn)樵跀嚢桀^加工期間，前進(jìn)側(cè)的材料隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)帶入后退側(cè)，由于前進(jìn)側(cè)塑流能力高于后退側(cè)，后退側(cè)材料出現(xiàn)滯留，導(dǎo)致前進(jìn)側(cè)材料回流量減少，空洞和隧道易出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)，使得前進(jìn)側(cè)的硬度低于后退側(cè)。

圖4 FSP改性區(qū)水平方向的硬度曲線圖

4.3 前進(jìn)方向顯微硬度分析

圖5 為FSP 改性區(qū)前進(jìn)方向的硬度曲線圖，從圖中可以看出，在FSP 的前進(jìn)方向上隨著加工區(qū)長(zhǎng)度的增加，其硬度值呈先增加后減小的趨勢(shì)，硬度值的低點(diǎn)出現(xiàn)在加工開始端和末端。加工開始端由于溫度較低，其改性過(guò)程中晶粒重組不徹底，材料局部攪拌不均勻，導(dǎo)致致密性低的現(xiàn)象，使得硬度較低。隨著加工長(zhǎng)度增加，其加工摩擦熱和變形熱的積累使得攪拌充分，改性程度高晶粒重組細(xì)化明顯導(dǎo)致硬度增加。加工末端由于長(zhǎng)時(shí)間加工，熱傳遞使得溫度過(guò)高，塑變范圍大，在軸肩壓力下使得材料易溢出，出現(xiàn)明顯的飛邊毛刺，導(dǎo)致攪拌針回填材料不充分，同時(shí)溫度過(guò)高導(dǎo)致細(xì)化的晶粒出現(xiàn)長(zhǎng)大的現(xiàn)象，硬度值下降。

圖5 FSP改性區(qū)前進(jìn)方向的硬度曲線圖

5 結(jié) 論

本文在主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min，前進(jìn)速度為60mm/min 的工藝參數(shù)下對(duì)軋制態(tài)7075鋁合金板材進(jìn)行攪拌摩擦加工，制備了改性層，研究了改性層不同區(qū)域的硬度分布規(guī)律。

1.在加工深度方向上，硬度值整體呈中間大兩邊小的分布，峰值在加工表面下方5mm 處，可達(dá)170HV左右；

2.在水平方向上，由前進(jìn)側(cè)到后退側(cè)，硬度值整體呈先增大后減小的趨勢(shì)，硬度峰值出現(xiàn)在中心線偏后退側(cè)位置，且后退側(cè)的硬度明顯高于前進(jìn)側(cè)；

3.在前進(jìn)方向上，硬度值整體呈先增大后減小的趨勢(shì)，硬度低點(diǎn)出現(xiàn)在加工開始端和末端。