搅拌摩擦加工改性冷喷涂6061铝合金涂层的断裂行为_刘志浩.pdf

第 30 卷 第 3 期2023 年 3 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.3Mar.2023引文格式:刘志浩,王 文,韩 鹏,等.搅拌摩擦加工改性冷喷涂 6061 铝合金涂层的断裂行为 J.塑性工程学报,2023,30(3):190-196.LIU Zhihao,WANG Wen,HAN Peng,et al.Fracture behavior of cold-sprayed 6061 alumimum alloy coating modified by friction stir processing J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(3):190-196.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51974220)通信作者:王 文,男,1985 年生,博士,教授,主要从事搅拌摩擦焊接及加工研究,E-mail:wangwen2025 第一作者:刘志浩,男,1997 年生,硕士研究生,主要从事冷喷涂和搅拌摩擦加工铝合金研究,E-mail:1769730758 收稿日期:2022-04-29;修订日期:2023-01-16搅拌摩擦加工改性冷喷涂 6061 铝合金涂层的断裂行为刘志浩,王 文,韩 鹏,王快社(西安建筑科技大学 冶金工程学院,陕西 西安 710055)摘 要:采用搅拌摩擦加工(FSP)对冷喷涂(CS)6061 铝合金涂层进行表面改性,研究了改性后涂层的微观组织变化对其在静态和动态载荷下断裂行为的影响。结果表明,FSP 改性后的 6061 铝合金涂层颗粒边界消失,缺陷基本消除,晶粒显著细化,平均晶粒尺寸为 3.1 m,极限抗拉强度和伸长率分别上升 19%和 1730%。静态载荷下 CS 和 FSP 试样分别呈现脆性和韧性断裂。动态载荷下,相比 CS 试样,FSP 试样的循环周次显著提升,断口表面具有单一疲劳源,断口分区明显,呈疲劳断裂特征。FSP 后涂层缺陷的消除抑制了断裂的产生,提高了涂层强度,晶粒细化提供了更多晶界,阻碍了裂纹扩展,延长了断裂时间。关键词:6061 铝合金;冷喷涂;搅拌摩擦加工;表面改性;断裂行为中图分类号:TG306 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)03-0190-07doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.03.025Fracture behavior of cold-sprayed 6061 alumimum alloy coating modified by friction stir processingLIU Zhi-hao,WANG Wen,HAN Peng,WANG Kuai-she(School of Metallurgical Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xian 710055,China)Abstract:The surface of cold-sprayed(CS)6061 alumimum alloy coatings was modified by friction stir processing(FSP).The effects of microstructural changes of the modified coating on its fracture behavior under static and dynamic loading were investigated.The results show that after the FSP modification,the particle boundaries of 6061 alnminum alloy coatings disappear,the defects are basically elimina-ted,the grain is significantly refined,and the average grain size is 3.1 m,the ultimate tensile strength and elongation increase by 19%and 1730%,respectively.CS and FSP samples show brittle and ductile fracture,respectively under static loading.Under dynamic load-ing,compared with CS samples the number of cycles of FSP samples increases.The fracture surface has a single fatigue source,the fracture zone is obvious,showing fatigue fracture characteristics.The elimination of coating defects after FSP inhibits the generation of facture and im-proves coating strength.The grain refinement provides more grain boundaries,which hinders crack extension and extends the fracture time.Key words:6061 alumimum alloy;cold spray;friction stir processing;surface modification;fracture behavior 引言冷喷涂(Cold Spray,CS)是一种先进的固态涂层技术,被广泛应用于金属零部件的修复和保护1。它利用超音速射流将固体金属颗粒加速射向基材,依靠高速颗粒撞击产生的塑性变形实现涂层的沉积,从而避免了颗粒的氧化2。然而,CS 技术的结合机制主要为机械结合3,导致涂层存在孔隙缺陷4、组织均匀性较差5以及颗粒界面强度低6等问题,使涂层机械性能降低。搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing,FSP)是基于搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding,FSW)理论的一种塑性大变形技术7,利用搅拌头与材料接触产生的摩擦热和塑性变形来改变材料的微观结构和力学性能8,如今已发展为一种先进的表面工程技术9。目前,FSP 技术已经成功应用到 CS 涂层的表面改性,并取得了一定进展。KHODABAKHSHI B 等10利用 FSP 技术对沉积在 AZ31B 镁合金上的 AA7075 铝合金涂层进行了局部表面改性,结果发现,FSP 后沉积涂层更加致密均匀,晶粒显著细化,涂层的微观结构和机械性能均得到改善,维氏硬度提高 3 倍以上。HUANG C J等11-12先后利用 FSP 对 SiCp/5056 铝合金复合涂层和 Ni-Ti 涂层进行了表面改性,结果表明,复合涂层中 的 SiC 增 强 颗 粒 尺 寸 从 12.2 m 细 化 到4.4 m,且分布更加均匀,显微硬度由 92.5 HV 显著增加到 185.7 HV;经过 FSP 后的 Ni-Ti 涂层含有多种 Ni-Ti 金属间化合物,金属硬度为 CS 涂层的4.5 倍,且具有更好的耐磨性。上述研究表明,FSP可以显著改善 CS 涂层的微观结构和机械性能,使得涂层显微硬度和耐磨性显著提升。目前,采用 FSP 技术对 CS 涂层的改性研究大多关注微观组织的变化和静态力学性能的提升。然而,随着 CS 技术越来越广泛应用于航空航天与轨道交通,一些零件与结构件不仅需要承受较大静态载荷,还需要承受高负载频率,这可能需要百万甚至千万次循环的使用寿命13,其中,涂层的断裂失效将成为应用过程中的一个安全隐患。因此,本文利用 FSP 技术对 6061 铝合金涂层进行表面改性,并对 FSP 前后涂层在静态和动态载荷下的断裂行为进行对比研究,为优良铝合金涂层的制备提供理论基础。1 实验本实验选用商用 6061 铝合金粉末为冷喷涂原料。图 1 为 6061 铝合金粉末形貌和颗粒尺寸分布。6061 铝合金粉末呈现灰白色,大部分为不规则球状,颗粒表面较为粗糙,附着较多细小颗粒。粉末颗粒尺寸范围为570 m,平均颗粒尺寸为28.8 m。使用型号为 LERMPS-UTBM 的 CS 系统制备 6061 铝合金涂层,在 CS 前,对纯铝基板进行打磨喷砂处理。CS实验采用氩气作为粉末载气,压力为5.0 MPa,加热温度为 500,喷嘴间距 25 mm,喷枪横移速度为200 mms-1。CS 沉积层的厚度约为3 mm。如图 2a 所示,使用型号为 FSW-LM-AM16-2D的搅拌摩擦焊机对制备成功的 6061 铝合金涂层进行FSP,焊机主轴旋转速度为 1200 rmin-1,前进速图 1 6061 铝合金粉末 SEM 形貌(a)及颗粒尺寸分布(b)Fig.1 SEM morphology(a)and particle size distribution(b)of 6061 alumimum alloy powder 度为 45 mmmin-1,轴肩下压量为 0.2 mm。采用的搅拌头工具由工具钢制成,轴肩和圆柱形搅拌针直径分别为 18 和 7 mm,搅拌针长度为 2.5 mm。垂直于 FSP 加工方向切取微观组织、拉伸和高周疲劳试样。其中,由于本研究只进行了单道次 FSP 加工,使得加工区厚度为 3 mm,宽度为 18 mm。采用标准拉伸试样尺寸会使得静态载荷下的断裂发生在CS 涂层处,为了保证断裂发生在加工区,根据加工区的宽度设计了合理的拉伸试样尺寸。高周疲劳试样的尺寸根据国家标准 GB/T 26076201014设计而成,具体取样位置和样品尺寸如图 2b 所示。通过配有电子背散射衍射(Electron Backscat-tered Diffraction,EBSD)探头的场发射扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)对 CS 和FSP 样 品 进 行 微 观 组 织 表 征,使 用 keller 试 剂(95 mL 水+2.5 mL 硝酸+1.5 mL 盐酸+1 mL 氢氟酸)对用于 SEM 观察的样品进行擦拭腐蚀,腐蚀时间为 2 min。使用 90 mL 无水乙醇+10 mL 的高氯酸溶液配制的抛光液对用于 EBSD 观察的样品进行电解抛光。拉伸实验和高周疲劳实验在型号为 Instron-191 第 3 期刘志浩 等:搅拌摩擦加工改性冷喷涂 6061 铝合金涂层的断裂行为图 2 FSP 示意图(a)及取样位置和尺寸(b)Fig.2 Schematic of FSP(a)and locations and dimensions of sampling(b)8801 的疲劳试验机上完成,拉伸实验的拉伸速率为图 3 CS 和 FSP 试样的 SEM 图和反极图(a)CS,SEM 图(b)FSP,SEM 图(c)CS,反极图(d)FSP,反极图Fig.3 SEM figure and IPF of CS and FSP samples(a)CS,SEM figure(b)FSP,SEM figure(c)CS,IPF(d)FSP,IPF1.010-3 s-1,平行试样的数量取 3 个。高周疲劳实验载荷选择恒幅正弦波形,应力比 R=0.1,加载频率 f=15 Hz,测定动态载荷应力下试样发生断裂的循环周次。采用 SEM 对拉伸断口和疲劳断口进行观察分析。2 结果和分析2.1 微观组织和拉伸性能图 3a 和图 3b 分别为 CS 和 FSP 试样的 SEM 形貌图。可以看出,CS 试样颗粒与颗粒之间边界明显,且在颗粒边界处存在较多孔洞缺陷,这些孔洞是由于 CS 过程中 6061 铝合金颗粒缺乏局部塑性变形而形成的,在 5083 铝合金15和 7075 铝合金16的CS 涂层中也观察到此种现象。经过 FSP 后,沉积的6061 铝合金颗粒被搅碎并重新排布,发生大塑性变形,颗粒边界消失,孔洞缺陷被消除,表面形貌光滑平整。图 3c 和图 3d 分别为 CS 和 FSP 试样的反极图(Inverse Polar Figure,IPF)。通常利用 IPF 图表征晶粒的尺寸大小和取向,可以看出,CS 试样晶粒尺寸分布不均,无明显择优取向。晶粒尺寸最大可达291塑性工程学报第 30 卷60 m,最小不足 1 m,这是因为 CS 过程中,沉积颗粒之间互相撞击使得颗粒边界处发生了绝热剪切失稳17,导致高度变形的颗粒界面处形成微小晶粒。FSP 试样的晶粒显著细化,呈等轴状晶粒分布,无明显择优取向,平均晶粒尺寸为3.1 m。FSP 过程中搅拌头的机械搅拌和摩擦热的共同作用导致再结晶的发生18,使得晶粒细化,分布均匀。图 4 为 CS 和 FSP 试样的室温拉伸性能。CS 试样的极限抗拉强度(Ultimate Tensile Strength,UTS)和伸长率(Elongation,EL)分别为 158.3 MPa 和2.3%。FSP 试样的 UTS 和 EL 分别为 188.6 MPa 和42.1%。此外,柱状图中的误差棒表明 CS 试样的拉伸测试数据分散性较大,FSP 试样的拉伸测试数据分散性较小,表明 FSP 改性 CS 涂层比较均匀。相比 CS 试样,FSP 试样的 UTS 和 EL 分别提高 19%和1730%,FSP 后涂层的 EL 显著提高,使得改性后涂层塑性优良,同时涂层的 UTS 也相应提高,孔洞缺陷的消除和晶粒尺寸的细化使得 FSP 试样的强塑性显著提升。图 4 CS 和 FSP 试样的极限抗拉强度和伸长率Fig.4 Ultimate tensile strength and elongation of CS and FSP samples通过高周疲劳实验完成 CS 和 FSP 试样在动态载荷下的断裂行为评定。表 1 为 CS 和 FSP 试样在动态载荷(R=0.1)下的循环周次以及断裂情况。在相同的载荷下分别对 CS 和 FSP 试样进行高周疲劳实验,当最大载荷为 120 MPa 时,CS 试样循环4856 次后发生断裂,而 FSP 试样循环 107次后仍未发生断裂。相比 CS 试样,相同载荷下 FSP 试样循环周次提升了两个数量级。当 CS 和 FSP 试样的高周疲劳载荷分别为 100 和 160 MPa 时,两者可承受的循环周次比较接近,分别为 242454 和 297303 次。相比 CS 试样,在相同循环次数下,FSP 试样可承受的最大载荷显著提升。表 1 动态载荷(R=0.1)下 CS 和 FSP 试样的循环周次及断裂情况Tab.1 Number of cycles and fracture situation of CS and FSP samples under dynamic loading(R=0.1)样品编号最大载荷/MPa循环周次/次断裂情况CS-112048567断裂FSP-1120107未断裂CS-2100262454断裂FSP-2160297303断裂2.2 静态载荷下涂层断裂行为图 5 为 CS 试样在静态载荷下的拉伸断口形貌。由图 5a 可以看出,CS 试样断口变形较小,有明显的撕裂痕迹,无韧窝产生,是典型的脆性断裂特征。此外,图 5b 中的微观断口显示断口表面有明显的裂纹、孔洞缺陷以及裸露的 6061 铝合金颗粒,使得 CS 试样在承受载荷时易起裂,裸露的 6061 铝合金颗粒说明CS 试样断裂沿颗粒界面进行,这是因为 CS 涂层沉积后,涂层中颗粒间结合较差,存在孔洞缺陷并且结合强度较低,导致断裂沿着颗粒界面进行。图 5 CS 试样拉伸断口形貌(a)微观形貌(b)A 区域放大图Fig.5 Morphologies of tensile fracture of CS sample(a)Microscopic morphology(b)Enlarged view of area A391 第 3 期刘志浩 等:搅拌摩擦加工改性冷喷涂 6061 铝合金涂层的断裂行为图 6 为 FSP 试样在静态载荷下的拉伸断口形貌。由图 6a 可以看出,FSP 试样断口形貌粗糙,变形较大,这是因为 FSP 试样拉伸过程中发生了颈缩,使得表面出现凸起现象。图 6b 显示韧窝呈细小等轴状分布,无孔洞缺陷和裂纹出现,说明 FSP 改性后的涂层颗粒间结合优良,不仅提高了强度,而且显著提升了涂层的塑性,使得 FSP 试样的断裂速度更加缓慢。图 6 FSP 试样拉伸断口形貌(a)微观形貌(b)B 区域放大图Fig.6 Morphologies of tensile fracture of FSP sample(a)Microscopic morphology(b)Enlarged view of area B2.3 动态载荷下涂层断裂行为图 7 为 CS 试样在载荷水平 100 MPa 下,循环次数为 262454 次发生断裂的疲劳断口形貌。由图7a 可以看出,CS 试样断口形貌单一,无明显的疲劳断口特征,在断口靠近试样表面处有多个疲劳源产生,在疲劳源附近可以观察到有较多细小的孔洞和裂纹。这说明 CS 试样在承受循环载荷时,表面微孔和裂纹缺陷易成为应力集中部位,从而引起微裂纹的萌生。此外,在断口的对角线位置有明显的“台阶状”形貌(白色虚线),这是因为相邻疲劳源处的微裂纹萌生后,在循环载荷作用下,逐步扩展并聚集形成一条主裂纹,CS 试样在疲劳裂纹扩展过程中左右两侧各形成一条主裂纹,两条裂纹共同向中间扩展,并发生碰撞,于是在交界处形成了明显的“台阶”。上下两侧疲劳源的产生使得 CS 试样最终断裂时“台阶”呈对角线分布。图 7b 为 CS 试样疲劳源附近区域的放大图。可以看出,CS 试样在裂纹扩展过程中,有疲劳辉纹产生,且辉纹分布稀疏间距较大,反映出 CS 试样的裂纹扩展速率较快。在断口表面存在微孔缺陷,增大了裂纹扩展过程中的应力集中,加快了裂纹扩展速率。再者,相邻颗粒沿边界开裂(白色虚线圈)以及裸露的 6061 铝合金颗粒说明 CS 试样的断裂特征为沿晶断裂,这与 CS 试样的静态拉伸断口相似,均为脆性断裂。图 7 CS 试样疲劳断口形貌(a)微观形貌(b)C 区域放大图Fig.7 Morphologies of fatigue fracture of CS sample(a)Microscopic morphology(b)Enlarged view of area C图 8 为 FSP 试样在载荷水平 160 MPa 下,循环次数为 297303 次发生断裂的疲劳断口形貌。由图8a 的疲劳断口形貌可以看出,FSP 试样断口特征显著,具有典型的疲劳断口分区即疲劳源、疲劳区以及瞬断区。相比 CS 试样,FSP 试样在断口表面只有一个疲劳源产生,如图 8b 所示。疲劳源呈三角形,比较光滑平整,附近分布较多微孔,该疲劳源位于FSP 试样表面裂纹处,在循环载荷作用下,裂纹向491塑性工程学报第 30 卷图 8 FSP 试样疲劳断口形貌(a)微观形貌(b)D 区域放大图(c)E 区域放大图(d)F 区域放大图Fig.8 Morphologies of fatigue fracture of FSP sample(a)Microscopic morphology(b)Enlarged view of area D(c)Enlarged view of area E(d)Enlarged view of area F试样内部微孔处扩展,并再次萌生多条微裂纹,呈放射状继续扩展,使得疲劳区呈现“扇贝”形貌。在疲劳区可以观察到密集细小的疲劳辉纹,说明FSP 试样裂纹扩展速率较低。这是因为 FSP 试样晶粒细化提供了更多的晶界,阻碍了裂纹的扩展。此外,二次裂纹的产生也延缓了疲劳裂纹的扩展。FSP 试样断口的绝大部分为瞬断区,且根据形貌特征将瞬断区分为中部瞬断区和边缘瞬断区。如图8c所示,FSP 试样断裂的主要区域为中部瞬断区,该区域由等轴细小的韧窝组成,形貌特征与静态拉伸试样的断口相似,呈现韧性断裂。韧窝的形成会吸收能量,从而抑制裂纹的失稳断裂,其次,韧窝形成过程中会引起试样的塑性变形,使得试样最终断裂时间延长。当裂纹失稳扩展接近边缘时,此时裂纹尖端的应力集中程度很大,使得断裂过程中不再产生韧窝,韧窝转变为剪切唇,呈现脆性断裂,如图 8d 所示。3 结论(1)CS 的 6061 铝合金涂层经过 FSP 进行表面改性后,涂层颗粒边界消失,孔洞和裂纹被消除,晶粒显著细化且分布均匀,平均晶粒尺寸为 3.1 m。(2)FSP 后的 6061 铝合金涂层 UTS 和 EL 分别提高 19%和 1730%。静态载荷下 CS 和 FSP 试样断裂分别呈现典型脆性断裂和韧性断裂。(3)相同动态载荷下,FSP 试样的循环周次显著提升,相同循环周次下,FSP 试样可承受更高的载荷,且呈疲劳断裂,微孔裂纹缺陷的消除和晶粒细化是其强度上升和断裂时间延长的主要原因。参考文献:1 GRIGORIEW S,OKUNKOVA 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