通过混合热压和挤压工艺加工的NiTi增强6061铝合金基复合材料的结构-性能关系

《Materials Chemistry and Physics》：Structure-Property Relationship in NiTi-Enhanced 6061 Al Matrix Composites Processed by Hybrid Hot Pressing and Extrusion

6061铝基复合材料中NiTi含量对微观结构和力学性能的影响研究表明，6 vol.% NiTi时形成稳定AlTiSi反应层（130 nm），摩擦系数降至0.23，抗拉强度达381 MPa且延展性优异，界面结合强效抑制颗粒脱出。

　　

刘阳|庄东东|张立生|张世豪|姚文胜

江苏大学材料科学与工程学院，镇江，212013，中国

摘要

本研究系统地探讨了NiTi含量对6061铝基复合材料微观结构演变和力学性能的影响，特别强调了其背后的机制。XRD分析证实所有含NiTi的复合材料中都存在明显的NiTi相衍射峰。微观结构表征显示，在6体积%的NiTi含量下，增强体-基体界面形成了一个稳定的AlTiSi反应层（约130纳米厚）。摩擦学测量表明，随着NiTi含量的增加，平均摩擦系数和表面粗糙度均显著降低，从未增强基体的0.85和85.625微米分别降至30体积% NiTi复合材料的0.23和5.471微米。抗拉强度与NiTi含量呈非单调依赖关系，在6体积% NiTi时达到最佳值381 MPa，随后在更高浓度下逐渐下降。值得注意的是，在这种最佳组成下，复合材料仍保持优异的延展性（16.0%）。这种力学行为源于NiTi/基体界面的强结合，有效防止了变形过程中的增强体拔出。所开发的NiTi_p/6061 Al复合材料在高抗拉强度和良好塑性之间取得了卓越的平衡。这些发现为设计高性能金属颗粒增强铝基复合材料提供了基础见解和实用指导。

引言

自颗粒增强铝基复合材料问世以来，相关研究取得了显著进展；然而，仍存在一些未解决的问题[1]，[2]。增强体的选择对于提高这些复合材料的性能至关重要[3]，[4]。复合材料的性能主要受四个关键微观因素的影响：增强体-基体的润湿性、界面结合质量、颗粒尺寸分布以及分散均匀性。在某些情况下，这些因素可能导致性能下降，从而使复合材料的性能低于基体材料本身，从而影响其使用寿命[5]，[6]。因此，选择合适的增强相对于制造具有优异性能的颗粒增强铝基复合材料至关重要。最常用的增强体类型包括陶瓷颗粒和金属颗粒，每种类型都有其独特的优缺点[7]，[8]。

陶瓷颗粒具有较低的制造成本、简单的生产工艺、较高的机械强度和优异的耐磨性。常见的陶瓷增强体包括氮化物（如BN和Si₃N₄）、氧化物（如Al₂O₃和ZrO₂）以及碳化物（如TiC、B₄C和SiC）[9]，[10]，[11]。Veeravalli等人通过搅拌铸造实验发现，TiC颗粒含量与7075铝基复合材料的耐磨性提高之间存在正相关关系[12]。然而，陶瓷颗粒（例如SiC）与纯金属或金属合金之间的较差界面润湿性使得复合材料在制备过程中容易发生有害的界面反应[13]。这种陶瓷颗粒与金属基体之间界面结合的缺陷显著降低了复合材料的整体机械性能。因此，具有良好界面润湿性的金属颗粒增强体的应用引起了广泛的研究兴趣。

与陶瓷颗粒相比，金属颗粒具有较高的强度、硬度、良好的电/热导率，以及与铝基体的强界面润湿性和结合性[14]。吴等人证明，控制界面反应可以改善界面润湿性和结合性，从而增强抗应力诱导的脱粘性能[15]。颗粒-基体反应区的过度增厚会促进脆性相的形成，损害复合材料的结构完整性和力学性能[16]。已经探索了多种金属颗粒增强体，包括准晶体、金属玻璃和高熵合金（HEAs）。近年来，高熵合金因其独特的微观结构和组成特性而受到广泛关注[17]，[18]，[19]。高等人成功开发了用FeCoNi₁.₅CrCu HEA颗粒增强的铝基复合材料，并指出在界面形成BCC固溶体扩散层增强了界面粘附性和力学性能[20]。然而，HEA增强复合材料中界面反应相的复杂性和不稳定性阻碍了稳定强度和塑性的实现[21]。二元NiTi合金具有独特的形状记忆效应、优异的弹性恢复能力、增强的抗疲劳性能和良好的生物相容性，因此在航空航天、生物医学和汽车制造领域具有巨大的应用潜力[22]，[23]，[24]。刘阳的研究团队系统研究了NiTi纤维增强铝基复合材料的微观结构演变[25]，[26]，[27]，发现纤维-基体界面结合质量主导了力学性能，存在多种可能的界面配置。然而，颗粒增强体和纤维增强体之间的本质差异需要进一步研究热机械加工（热压/挤出）过程中形成的NiTi颗粒-铝基体界面[28]，[29]。

与传统的金属颗粒相比，使用NiTi颗粒作为铝基复合材料的增强体由于NiTi-Al界面具有天然的优良润湿性，因此在提高力学性能方面具有巨大潜力。虽然合理设计稳定的微观结构和性能可以显著改善颗粒增强铝基复合材料的性能，但现有研究主要集中在NiTi添加对这些复合材料功能性能的影响上。尽管这些方面对工程应用至关重要，但NiTi掺入引起的微观结构演变和力学性能变化仍缺乏充分研究[30]，[31]。NiTi的体积分数是控制NiTi_p/6061 Al复合材料性能的关键参数。因此，对不同NiTi含量的复合材料进行综合分析对于阐明其增强机制至关重要。为此，通过压力辅助固结混合的NiTi和6061 Al粉末制备了复合材料样品。基于NiTi的合金因其显著的形状记忆效应和优异的超弹性而受到广泛研究。与传统金属颗粒和陶瓷增强体相比，NiTi颗粒在振动或冲击载荷下具有更好的能量耗散能力。铝基体与NiTi增强体之间形成的牢固界面粘附促进了相界处阻尼机制的有效激活。这种界面优化显著提高了铝基复合材料在动态载荷下的振动阻尼性能，从而有效抑制了结构振动和声发射。

本研究分析了不同NiTi含量铝基复合材料的振幅依赖性阻尼性能。NiTi增强体与铝基体之间的界面相容性使得相间相互作用优于传统的过渡金属（TMs）和陶瓷颗粒。值得注意的是，NiTi分散体在同时提高复合材料的强度和断裂韧性方面表现出更大的效果[32]。此外，NiTi颗粒的均匀分散确保了微观结构的均匀性，这直接关系到力学性能的提高。NiTi合金还具有出色的稳定性。在操作环境中，NiTi颗粒能够保持其形状和性能稳定性，使其不易发生变形或失效。这一特性使铝基复合材料在现实使用条件下能够保持高水平的机械和阻尼性能稳定性，从而延长其使用寿命。在铝基复合材料中加入NiTi增强体显示出提高阻尼特性和力学性能的巨大潜力。本研究的创新之处在于：通过热压-挤出复合工艺制备了NiTi颗粒增强的6061 Al复合材料。系统研究了NiTi颗粒含量对复合材料微观结构、力学性能、摩擦学性能和阻尼性能的影响，并阐明了含量依赖的增强机制。

实验程序

本研究使用了6061铝粉（45–105 μm）和NiTi粉（10–25 μm），其中Ti的含量为51原子%，Ni的含量为49原子%。铝合金的详细化学成分见表1。实验前，精确配比了复合粉末，分别含有0体积%、3体积%、6体积%、15体积%和30体积%的NiTi，其余为6061 Al合金。粉末混合物通过行星球磨机在优化参数下进行混合（120分钟）

微观结构分析和相组成

图3展示了T0（不含NiTi）和T6（含有6体积% NiTi）在垂直于挤出方向的平面上的微观结构。图3(e)中所示的Spot 1、Spot 2和Spot 3处的能量谱分析结果展示在图3(f)中。研究发现，白色圆形颗粒对应于NiTi颗粒，而基体晶粒结构被识别为Al基体。在图3(a)中，

讨论

图13展示了开发的NiTi_p/6061 Al复合材料（3-15体积%）与传统陶瓷增强6061系统（SiC、WC、ZrO₂、石墨和Al₂O₃）的对比性能分析，结果表明在抗拉强度和延展性方面具有优异的性能[39]，[40]，[41]，[42]，[43]。

图14展示了NiTi_p/6061Al复合材料在拉伸载荷下的断裂机制，揭示了NiTi颗粒的关键作用。

结论

本研究系统评估了含有不同NiTi添加量的6061Al基复合材料的相组成、微观特征、摩擦行为、阻尼能力和力学特性，阐明了含量依赖的微观结构演变和性能机制。主要发现包括：

1)

相和界面分析：X射线衍射图谱证实所有含NiTi的复合材料中都存在NiTi相峰。连续且一致的界面

CRediT作者贡献声明

庄东东：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。张连生：方法论，概念化。姚王石：可视化，方法论。刘艳：撰写 – 初稿，可视化，方法论。张树豪：撰写 – 初稿

利益冲突披露

作者声明没有需要声明的利益冲突。

数据可用性声明

数据可应要求提供。

财务支持

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52475461）的支持。

利益冲突声明

该手稿尚未发表，也没有在其他地方考虑发表。所有作者都对本文的重要智力内容做出了贡献，并阅读并批准了最终版本。作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52475461）的支持。