采用搅拌铸造和离心铸造相结合的方法制备的功能梯度混合AA6061-B-4C-CNT复合材料的结构、力学性能及磨损行为

《Journal of Manufacturing Processes》：Structure, mechanical properties, and wear behavior of functionally graded hybrid AA6061-B 4C-CNT composites using combined stir casting and centrifugal casting

制备了Al-B4C-CNT梯度复合材料 cylinder，外层1mm B4C富集层硬度达520 HV，内层CNT增强区域韧性好，中间层性能较差。EBSD显示CNT富集区晶粒细小，KAM值最高；Raman证实梯度CNT分布，HRTEM观测到Al4C3界面层。弯曲强度和耐磨性最佳的内中部分（350 MPa，0.23摩擦系数）。创新点：双增强材料梯度设计结合搅拌与离心铸造，解决了传统离心铸造内层性能劣化问题。

　　

Sukanta Sarkar|Ujjal Dey|Ketan Chouhan|C.S. Kumar|Siddhartha Roy

印度理工学院卡拉格普尔分校冶金与材料工程系，卡拉格普尔，721302，印度

摘要

通过结合搅拌和离心铸造技术，制备了一种功能梯度化的Al-B?C-CNT复合圆柱体，以改善其内外表面的性能。由于B?C颗粒的密度高于熔融的AA6061合金，最外层形成了约1毫米厚的B?C富集区域；而靠近内表面的区域则主要通过碳纳米管（CNTs）进行增强。电子背散射衍射（EBSD）分析证实了增强区域的晶粒细化及局部应变的增加，在CNTs富集区域观察到最细的晶粒和最高的晶粒平均错位（KAM）值。拉曼光谱验证了CNTs的梯度分布，高分辨率透射电子显微镜分析则表明由于形成了薄的Al?C?层，界面结合非常牢固。由于B?C含量高，最外层的硬度达到了520 ± 30 HV；而内表面由于CNTs的存在，其硬度也高于圆柱体中部未增强的区域。从外层、中外层、中层到内层五个不同位置的样品分别进行了三点弯曲试验和磨损试验。中外层结合了最佳的弯曲强度和韧性（弯曲强度约为350 MPa，弯曲应变约为11%），同时摩擦系数最低（0.23），磨损率也最低，这得益于CNTs的均匀分布。在传统的离心铸造功能梯度复合材料中，由于缺陷的积累，内表面通常性能较差。相比之下，这种新型的混合增强设计能够同时增强两个表面的性能。

引言

功能梯度复合材料（FGCMs）通过提供沿至少一个方向变化的梯度结构，克服了单体材料[1]和传统复合材料（均匀分布[3]的固有局限性。这类材料在需要不同位置具有不同特性的应用中至关重要，例如汽车零部件（如气缸套、气缸体、制动鼓、活塞环等[3]）和弹道装甲（需要外层具有高抗冲击性，而内层则需具备足够的韧性来吸收弹丸的动能[4]）。

在各种FGCM组合中（如金属-金属[5]、[6]、[7]、金属-陶瓷[8]、[9]、[10]、[11]、[12]以及陶瓷-陶瓷[13]、[14]），金属-陶瓷系统是近期研究的重点。在制造金属-陶瓷FGCM的方法中，离心铸造是一种成本效益高且易于实施的技术[16]。利用离心铸造技术时，将陶瓷颗粒均匀分散在熔融金属混合物中，然后将其倒入旋转的薄壁圆柱形模具中，从而在材料内部形成成分梯度。离心力的大小取决于颗粒的特性，从而可以控制颗粒在液态金属中的分散速度。颗粒的分布受基体与增强材料之间密度差的影响，这一过程遵循Stoke定律[17]的描述：

$V?=\left(\left(\rho ??\rho ?\right){D?}^2{d?}^2\right)/36\mu$ $\mathrm{V?}$ 其中 表示颗粒速度，ρ_p 为颗粒密度，ρ_m 为熔体密度，D_p 为颗粒直径，d 为模具内径，ω 为旋转角速度，μ 为熔体粘度。

密度大于基体的颗粒（）会向外部区域移动，从而提高表面硬度和耐磨性（如Al合金中的SiC增强材料[18]所示）；相反，密度较小的颗粒（）则会向内部区域迁移，从而赋予材料轻质和高强度的特性（如Cu合金中的SiC增强材料[19]所示）。

基于铝的FGCMs（Al-FGCMs）是适用于需要高特定性能的应用的材料[2]。近年来，针对使用不同陶瓷（如B?C[20]、[21]、SiC[22]、[23]、[24]、[25]、AlB?[26]、Al?O?[27]、TiC[29]、Si?N?[31]、WC[32]、AlN[33]、ZrO?[33]、SiO?[33]等）的离心铸造方法进行了大量研究。在这些增强材料中，B?C因其优异的机械性能而备受关注。尽管B?C的密度较低（2.52 g/cm3），但其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，且化学稳定性良好。因此，已有研究探讨了利用离心铸造技术制备B?C增强Al-FGCMs的方法。Karabulut等人[4]证明，离心增强的Al6061-B?C FGCM在机械性能和弹道防护方面优于SiC和Al?O?增强材料。Jojith等人[20]评估了铸造态和热处理后的离心铸造A356（Al-7Si-0.3 Mg）-10 wt% B?C复合材料的机械和磨损性能。Verma等人[17]、[34]改变了Al6061–10 wt% B?C FGCM的旋转速度，并将实验结果与仿真结果进行了比较。

由于用于制造离心铸造Al-FGCMs的增强材料大多密度高于液态铝（2.3 g/cm3），因此圆柱体的外层具有优异的性能，而内层性能逐渐下降，往往低于基体金属。因此，同时改善内外表面的性能具有显著优势，但这非常具有挑战性。一种可能的解决方案是使用双重增强材料：一种增强材料的密度应大于铝基体，另一种增强材料的密度应小于铝基体。

在本研究中，选择B?C和CNT作为增强材料，通过搅拌铸造和离心铸造结合的方式，制备了具有梯度性能的Al-FGCM圆柱体。B?C的密度（2.52 g/cm3）高于液态铝（2.3 g/cm3），有望提高外层的耐用性和耐磨性；而CNT的密度（1.2至2.1 g/cm3）低于液态铝，有助于增强内层的强度和韧性。然而，在Al-CNT复合材料中实现CNT的均匀分布非常困难，因为铝（表面张力865 mN/m）与CNT（100–200 mN/m）之间的差异较大。为了解决这一问题，Sarkar等人[36]最近采用颗粒滴落（PD）技术成功制备了高质量的Al-0.5 wt% CNT复合材料，实现了CNT的均匀分布，并且其强度高于未经处理的Al6061合金。

本研究首次将B?C颗粒和Al-CNT颗粒结合使用，制备了Al-B?C-CNT FGCM。通过光学显微镜和扫描电子显微镜观察了增强材料的分布情况；拉曼光谱用于确认CNT的存在及其在制备过程中的形态变化；高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）用于分析CNT与铝基体之间的界面特性。还对圆柱样品不同截面的试样进行了维氏硬度测试、三点弯曲测试和磨损测试，以评估梯度微观结构对机械性能的影响。

原材料和样品制备

所用原材料包括AA6061合金棒（纯度98%）、Al-20 Mg母合金锭、纯铝粉（99%）（M/S LOBA Chemie，印度）、B?C粉末（目数325，Bhukhanvala Industries Pvt. Ltd.，孟买，印度）以及多壁碳纳米管（MWCNT）粉末（M/S Adnano Technologies，印度）。MWCNT粉末的平均直径和长度分别为10–30 nm和10 μm，B?C的平均粒径约为44 ± 5 μm。

图1(a)和(b)

光学显微镜和SEM分析

图4展示了从外表面到内表面不同位置的FGCM的低分辨率光学显微图像。图4(a)显示最外层存在一层约1毫米厚的B?C富集层（用黄色线条标出）。随着深度的增加，B?C颗粒的浓度逐渐减少（图4(b-d)）。

结论

本文开发了一种简单的方法，通过结合搅拌铸造和离心铸造技术制备了双重B?C和CNT增强的功能梯度复合圆柱体。主要结论如下：

• •
  光学显微镜观察到最外层形成了约1毫米厚的B?C富集层，这是因为B?C颗粒的密度高于AA6061基体。相比之下，较轻的CNTs分布在内表面区域。

CRediT作者贡献声明

Sukanta Sarkar：撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。 Ujjal Dey：撰写与编辑、实验研究。 Ketan Chouhan：撰写与编辑、实验研究。 C.S. Kumar：撰写与编辑、实验监督、项目管理、概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。