基于模糊逻辑与微观结构调控的Ni-Cu合金摩擦搅拌加工智能优化研究

本研究针对Monel 400合金传统熔焊易产生缺陷的问题，创新性地采用模糊逻辑建模结合COPRAS多目标决策方法，优化了摩擦搅拌加工(FSP)参数。通过控制热输入实现了晶粒细化和高角度晶界(HAGBs)富集，使材料显微硬度达191 HV、纳米硬度2.44 GPa、屈服强度252 MPa，为高性能镍铜合金加工提供了新策略。

　　

在化工和能源领域，镍铜合金Monel 400因其卓越的耐腐蚀性和机械性能备受青睐。然而，这种材料的高导热性使其在传统熔焊过程中极易产生气孔和热裂纹，严重制约了工业应用。更棘手的是，现有研究多聚焦于铝、镁等轻合金的摩擦搅拌加工(FSP)，对镍基合金的工艺优化缺乏系统性方案，特别是如何平衡热输入与机械性能的关系仍是未解难题。

针对这一技术瓶颈，印度Karpagam高等教育学院机械工程系的研究团队开展了一项创新研究。他们首次将模糊逻辑建模与COPRAS(复杂比例评估)决策方法相结合，建立了Monel 400合金FSP参数的多目标优化体系。这项突破性成果发表在《Materials》期刊，不仅解决了镍铜合金加工参数选择的科学难题，更开创了智能算法辅助高性能合金设计的先河。

研究采用三大关键技术：1) 中心复合设计(CCD)实验矩阵，系统考察转速(400-1200 rpm)、行进速度(50-150 mm/min)和轴向力(1-3 kN)的交互作用；2) 基于三角隶属度函数的模糊逻辑模型，预测显微硬度、纳米硬度和屈服强度等响应值；3) COPRAS多准则决策法对17组参数进行效用度排序。通过电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)揭示了微观结构演化机制。

【材料与方法】

研究使用H13工具钢制造的搅拌头，在数控铣床上进行单道次FSP。通过Vickers显微硬度计(50g载荷/10s)和纳米压痕仪(20次测量取均值)评估力学性能，结合EBSD和STEM分析晶界特征和位错密度。

【结果与讨论】

3.1 工艺参数影响规律

发现低转速(400 rpm)、高行进速度(150 mm/min)和中等轴向力(2 kN)组合最优。当转速升至1200 rpm时，热输入增加导致平均晶粒尺寸从1.4 μm粗化至17.9 μm，HAGBs比例下降，使显微硬度降低22%。

3.2 多目标优化

模糊逻辑模型预测误差低于3%(R²>0.91)，COPRAS分析显示最优参数组合(1200 rpm/50 mm/min/2 kN)的效用度达100%，较最差方案提高28.8%。

3.4 微观结构表征

EBSD显示最优样品中HAGBs占比达78%，而高热输入样品中低角度晶界(LAGBs)占主导。TEM证实前者位错密度显著更高，形成典型的<111>剪切织构(强度1.6)，符合不连续动态再结晶(DDRX)特征。

这项研究的意义在于：首次建立了Monel 400合金FSP的"工艺-结构-性能"定量关系，证实通过精确控制热输入可实现晶粒细化和HAGBs富集。提出的模糊-COPRAS混合模型为其他难加工合金的优化提供了范式，其预测精度较传统响应面法(RSM)提高15%以上。工业应用显示，优化后的FSP工艺使Monel 400部件寿命提升3倍，为解决化工设备关键部件制造难题提供了技术支撑。