铝/锆基块体非晶复合材料的多尺度界面设计与增材摩擦搅拌沉积强化

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Additive friction stir deposition of Al/Zr-based bulk metallic glass composites: dual-scale interfacial formation and strengthening

本研究针对铝/锆基块体非晶复合材料在界面结合强度与非晶结构稳定性之间的平衡难题，通过优化增材摩擦搅拌沉积工艺参数，成功构建了兼具宏观机械互锁和纳米多晶层的双尺度界面结构。该界面使剪切强度显著提升65.5%，为非晶复合材料在折叠屏手机铰链等精密部件中的应用提供了新方案。

　　

在折叠屏手机铰链等精密部件领域，铝/锆基块体非晶复合材料因其高比强度、优异耐腐蚀性和疲劳强度而备受关注。然而，晶体金属与非晶态块体非晶之间的原子尺度结构差异和界面扩散失配，使得传统制造方法难以在实现高强度界面结合的同时保持非晶结构稳定性。过度促进界面冶金反应往往引发非晶结晶化，导致材料性能劣化；而弱界面结合则限制载荷传递效率，易发生界面分层失效。这一矛盾成为制约高性能铝/非晶复合材料发展的关键技术瓶颈。

为解决这一难题，哈尔滨工业大学研究团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上发表论文，创新性地采用增材摩擦搅拌沉积这一固态增材制造技术，通过工艺参数优化成功制备出具有双尺度界面特征的铝/锆基块体非晶复合材料。该研究首次在界面处同时构建了宏观机械互锁结构和纳米尺度多晶层，实现了界面剪切强度的大幅提升，为解决晶体-非晶复合材料界面设计难题提供了新思路。

研究采用AA6061铝合金棒材和Zr基块体非晶板为原材料，通过自主开发的增材摩擦搅拌沉积设备，在150 rpm、250 rpm和350 rpm三种旋转速度下制备复合材料。关键技术方法包括：利用热电偶监测界面温度场，通过压力传感器实时采集轴向力信号；采用光学显微镜、扫描电镜观察界面形貌，X射线衍射验证非晶结构稳定性，透射电镜结合聚焦离子束制样分析纳米尺度界面结构；设计专用夹具进行剪切性能测试，结合断口形貌分析失效机制。

3.1 界面形貌

随着旋转速度从150 rpm增加至350 rpm，界面形貌由平坦光滑逐渐发展为波浪状机械互锁结构。在350 rpm时，热塑性铝沉积层在轴向压力作用下充分填充非晶表面形成的剪切局部化特征，形成复杂三维互锁几何形状。X射线衍射结果表明，所有参数下非晶基体均保持非晶结构，未发生明显结晶。

3.2 纳米尺度多晶层

透射电镜分析揭示，在350 rpm参数下界面处形成了厚度140-420 nm的纳米多晶层。该层由随机取向的Al₃Zr、AlZr₃和Al纳米晶组成，平均晶粒尺寸21.9 nm。高分辨电镜显示，Al₃Zr与Al之间存在较低晶格失配，而热力学不利的AlZr₃相形成表明界面处发生了非平衡扩散过程。

3.3 剪切性能与断裂模式

剪切测试结果表明，双尺度界面使复合材料剪切强度达到187±9 MPa，较150 rpm和250 rpm分别提高65.5%和48.4%。断口分析显示，350 rpm试样断裂路径偏离至铝侧，断口完全覆盖铝质韧窝，表明界面结合强度已超过铝基体承载能力，实现了从界面脆性断裂向铝侧韧性断裂的转变。

研究表明，双尺度界面形成机制源于剧烈塑性变形诱导的耦合热-力学效应。在铝侧，高位错密度为原子快速扩散提供通道；在非晶侧，剪切局部化产生的高能 nucleation sites 激活原子重排。两者协同作用下，通过缺陷介导扩散和非平衡相变形成纳米多晶层，而非传统连续金属间化合物层。

该研究的重要意义在于提出了一种新的固态制造和界面设计策略，通过精确控制热-力学参数实现了晶体-非晶复合材料界面的定制化构建。双尺度界面结构有效缓解了晶体与非晶相之间的力学失配，为高性能铝/非晶复合材料在航空航天轻量化结构、精密装配和汽车部件等领域的应用奠定了技术基础。未来研究可进一步拓展该策略在其他异质金属系统（如Al/Ti、Al/Mg、Al/Cu等）中的应用，并通过疲劳测试等全面评估其可靠性。