摩擦搅拌加工原位合成AA2024-AlB2复合材料的微观结构特征与力学性能优化研究

为解决铝基复合材料(AMCs)中增强相分布不均和力学性能不足的问题，研究人员通过摩擦搅拌加工(FSP)技术原位合成AA2024-AlB2复合材料。研究发现800 rpm转速下可获得2.8 μm细晶结构和均匀AlB2分布，使硬度达134.2 HV0.1，抗拉强度提升11.8%至508.2 MPa。该研究为航空航天领域高性能轻量化材料开发提供了新思路。

　　

在航空航天和汽车工业对轻量化高强度材料的迫切需求下，铝基复合材料(AMCs)因其优异的强度-重量比成为研究热点。然而传统制备方法存在增强相分布不均、界面结合弱等问题，导致材料性能不稳定。更棘手的是，高温加工过程中增强相与基体的热膨胀系数差异易引发微裂纹。这些技术瓶颈严重制约了AMCs在承重结构件中的应用。

为突破这些限制，来自伊朗巴博勒努希尔瓦尼理工大学的Mahna Nikzad-Dinan团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表创新研究。他们采用摩擦搅拌加工(FSP)这种固态加工技术，巧妙地将硼粉原位转化为AlB₂增强相，通过精确控制工艺参数，成功制备出性能优异的AA2024-AlB₂复合材料。这项研究不仅揭示了工艺参数-微观结构-力学性能的构效关系，更为高性能金属基复合材料的可控制备提供了新范式。

研究团队采用AA2024铝合金为基体，通过预置硼粉和FSP工艺实现AlB₂的原位合成。关键技术包括：使用方形锥体搅拌工具在600-1200 rpm转速范围进行加工；通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征相组成和微观结构；依据ASTM标准进行显微硬度和拉伸性能测试；结合Zener-Hollomon参数分析热力学条件对晶粒尺寸的影响。

微观结构特征

研究发现800 rpm转速下可获得最均匀的AlB₂分布，此时应变率达26.8 s^-1，峰值温度控制在467°C。XRD证实硼粉完全转化为AlB₂相，无残余硼峰。当转速升至1200 rpm时，温度超过495°C导致晶粒粗化至5.8 μm，并出现增强相团聚现象。

力学性能变化

800 rpm样品展现出最优综合性能：硬度134.2 HV_0.1，抗拉强度508.2 MPa，较基体提升11.8%。断裂分析显示细晶粒和均匀分布的AlB₂促使韧性断裂，形成均匀韧窝。而1200 rpm样品因晶粒粗化和粒子团聚导致硬度降至106.6 HV_0.1，强度显著降低。

织构演化规律

织构参数分析揭示(200)晶面在800 rpm时显著强化，这与力学性能提升存在相关性。研究者认为适中的热机械条件促进了动态再结晶(DRX)和粒子激发形核(PSN)的协同作用，而过高转速会导致织构随机化。

这项研究系统阐明了FSP工艺参数对AA2024-AlB₂复合材料性能的影响机制，确立800 rpm为最佳转速。其科学价值在于：首次报道了AlB₂增强相通过FSP原位合成的完整工艺窗口；揭示了Zener-Hollomon参数与微观结构演变的定量关系；开发出强度超过500 MPa的高性能铝基复合材料。该成果不仅为航空航天结构件材料选择提供了新方案，其揭示的"工艺参数-微观结构-性能"调控规律更可推广至其他金属基复合材料体系，具有重要的工程应用价值。