通过粉末冶金方法制备功能性梯度铝基复合材料及其性能表征

《Materials Chemistry and Physics》：Production and Characterization of Functional Grading Aluminum Matrix Materials by Powder metallurgy

功能梯度金属基复合材料研究旨在通过A7075铝/B4C梯度结构优化实现高韧性、强度与硬度平衡。采用粉末冶金工艺结合Taguchi方法系统研究球磨时间（1-3h）、层结构（3-7层）、烧结参数（300-500MPa压力，550-590℃温度，1-3h时间），通过XRD、SEM及ASTM E9压缩强度测试验证性能，最优参数组合实现抗压强度339.1MPa，硬度170HB，密度最低。该材料在防护装备和刹车盘等工程领域应用潜力显著。

　　

Musa YILMAZ | Mürsel EKREM

运输服务部，约兹加特博佐克大学，约兹加特，土耳其

摘要

本研究旨在开发一种混合复合材料，该材料由A7075铝合金和碳化硼（B₄C）制成，具有坚硬的外层和柔软的内核，这一设计灵感来源于牙齿和骨骼等自然结构，以实现高韧性。生产过程中采用了粉末冶金法，并根据功能梯度材料（FGM）原理调整了球磨时间（1小时、2小时、3小时）和层结构（3层、5层、7层）。实验通过田口法（Taguchi method）进行系统优化，研究了三种不同的压缩压力（300 MPa、400 MPa、500 MPa）、烧结时间（1小时、2小时、3小时）以及烧结温度（550°C、570°C）。在生产前，使用XRD、SEM和粒径分析对粉末进行了表征。复合材料的性能通过ASTM E9标准下的压缩强度测试以及硬度、密度测试和SEM微观结构分析进行了评估。

田口法分析结果显示，加工参数对材料力学性能具有显著影响。当球磨时间为3小时且采用3层FGM结构时，获得了最高的压缩强度（339.1 MPa）和韧性值；而在590°C、3小时的烧结条件下，硬度最高（170 HB）。粉末表征结果显示，尽管初期存在团聚现象，但随着研磨时间的延长，粒径减小，碳化硼（B₄C）相分布更加均匀。

通过田口分析获得的结果和参数优化为后续研究提供了全面的参考。分析表明，生产配方会根据所需性能（耐压性、硬度或密度）进行调整。由于具有高强度和韧性，以及高硬度优势，所开发的FGM复合材料可用于制造手臂和膝盖护具等产品。此外，高硬度带来的耐磨性和韧性结合为未来研究（如制动盘）提供了巨大潜力。

引言

在现代先进工程应用中，材料选择需同时满足高强度、低密度、耐磨性和热稳定性等要求。在这方面，金属基复合材料（MMCs）因其优异的机械和物理性能而受到广泛关注。MMCs通过结合基体相的延展性和增强相的硬度，提高了材料的强度和刚性。这些复合材料广泛应用于航空航天、汽车、国防和核能领域，其在热机械载荷下的稳定性能使其适用于关键部件[1]。

在MMCs的生产方法中，粉末冶金法在微观结构控制和均匀相分布方面具有显著优势。该方法将金属粉末和陶瓷粉末按适当比例混合，在特定压力下压实后通过烧结固化。由于加工温度低、孔隙率可控以及能够制备复杂几何形状等优点，粉末冶金法在铝基复合材料的制备中尤为常用[2, 3]。

MMCs的基体金属通常为轻质合金，如铝、镁或钛。其中，铝因其低密度、高比强度、良好的加工性能和优异的耐腐蚀性而备受青睐[4]。作为增强相，常用的陶瓷材料包括碳化硼（B₄C）、碳化硅（SiC）和氧化铝（Al₂O₃）。这些陶瓷材料的高硬度、熔点和化学稳定性显著提升了复合材料的耐磨性和高温性能[5]。增强相的比例和颗粒分布直接影响复合材料的力学和摩擦学性能，因此根据应用需求选择合适的基体-增强相组合和加工参数至关重要[6]。

球磨是粉末冶金中最常用的固态加工方法之一，主要用于实现均匀的增强相分布、形成新相或建立基体与增强相之间的牢固界面。该方法利用高能球磨机产生的反复冲击和剪切力，使金属和/或陶瓷粉末发生冷焊和断裂[7]。球磨技术能够制备纳米结构、过饱和固溶体、非晶结构及金属间化合物[8, 9]。文献指出，球磨时间和球与粉末的比例是影响混合物微观结构和相形成的关键因素[10]。球磨过程中的强烈塑性变形和晶粒细化有助于增强相在基体中的均匀分布[11]。这种技术使得低硬度金属（如铝）与碳化硼（B₄C）和碳化硅（SiC）等陶瓷增强相有效结合，从而提升复合材料的力学性能[12, 13]。

功能梯度材料（FGMs）是一种通过控制微观结构或成分变化，在单一结构中实现多种性能的工程材料。在这些材料中，性能转变是逐渐而非突然发生的，从而带来了减少热应力、提高抗冲击性以及防止界面不匹配等显著优势[14, 15, 16]。FGMs常用于需要一面高硬度和高耐磨性的应用，而另一面则需要韧性或延展性的场合。当结合具有不同性能的材料（如陶瓷和金属）时，梯度转变对于防止界面裂纹至关重要[17]。文献中提到，粉末冶金等固态工艺已成功用于实现FGM结构的均匀分层[18, 19]。此外，层数、增强相比例的梯度以及烧结条件等参数直接影响材料的力学性能和热稳定性[20]。FGMs为适应复杂载荷条件提供了理想的材料解决方案，尤其在航空航天、生物医学、核能和国防领域[21, 22]。

田口法是一种基于统计学的实验设计（DOE）方法，旨在提高制造过程的质量并减少变异性。与传统因子设计相比，该方法用更少的实验次数即可获得有效结果，具有显著的成本和时间效率优势[23]。该方法通过评估可控因素与不可控（噪声）变量之间的相互作用来增强系统的稳健性[24]。

本研究的目的是开发一种以A7075铝合金为基体、碳化硼（B₄C）为增强相的混合金属基复合材料（MMCs），以满足需要高韧性、低密度和热稳定性的先进工程应用需求。研究的创新之处在于采用田口实验设计在多种层结构（3层、5层、7层）下进行生产，并遵循功能梯度材料（FGM）原理。通过对粉末冶金法制备的样品进行田口分析，确定了机械合金化和烧结条件对力学性能的相对影响，找出了具有最高耐压性、硬度和最低密度的最佳组合。研究结果表明，生产配方会根据目标性能（强度、硬度或密度）进行调整；同时表明，所开发的FGM复合材料在需要耐磨性的肘部/膝盖护具和制动盘等应用中具有巨大潜力，这得益于其高硬度和韧性。

材料

本研究使用A7075铝合金作为基体材料，碳化硼（B₄C）作为陶瓷增强相。A7075铝合金粉末的平均粒径为70 μm，碳化硼粉末的平均粒径为40 μm。这两种粉末均为商业纯度，由ISM D?? Ticaret Pazarlama Ltd. ?ti.提供。根据供应商提供的数据，其物理和化学性质见表1。

由于A7075铝合金具有较高的比强度……

混合复合材料压缩性能分析

混合复合材料的压缩强度是根据生产参数通过实验测定的，结果如图3所示。此外，还利用田口法对不同加工参数对力学性能的影响进行了综合评估。

图3a、b和c展示了在300 MPa压力下压缩的样品，其中机械合金化时间、烧结时间和温度从左向右递增。

结论

本研究全面评估了影响通过机械合金化和粉末冶金法制备的功能梯度混合复合材料力学性能的生产参数。根据研究结果，确定了最佳工艺条件，主要结论如下：

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  田口分析表明，混合复合材料的力学性能对生产参数非常敏感。

作者贡献声明

Musa Y?lmaz： 负责撰写初稿、软件开发、方法设计及实验实施。Mürsel EKREM： 负责监督和资源协调。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：MURSEL EKREM表示获得了Necmettin Erbakan大学的财务支持。若有其他作者，则声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢Necmettin Erbakan大学的科学研究项目协调部门在项目编号#24YDR19001下的支持。