摘要
采用喷雾造粒与放电等离子烧结法，成功制备了具有双重网络结构的纳米SiC颗粒/晶须混杂增强8009Al/6061Al复合材料（aluminum matrix composite with dual network structure，AMC-DNC），并同时制备SiC增强相在8009Al/6061Al基体中均匀分布的复合材料（aluminum matrix composites with uniform structure，AMC-US）.本研究对两种复合材料的微观组织和摩擦磨损性能进行了深入探讨.测定了AMC-DNC和AMC-US在不同载荷和转速下的摩擦系数与磨损率，并结合扫描电子显微镜观察磨损形貌，深入分析了双重网络结构对复合材料磨损机制的影响.实验结果表明，放电等离子烧结法制备的AMC-DNC和AMC-US的致密度分别高达98.1%和99.2%.在低载荷、低转速条件下，AMC-DNC的主要磨损机制为磨粒磨损，其中颗粒的脱离导致氧化膜破裂，进而造成材料表面损伤.而在较高载荷和较高转速条件下，磨损机制转变为剥层磨损.在相同的摩擦磨损实验条件下，AMC-DNC展现出优于AMC-US的摩擦磨损性能，表明双重网络构型的设计在提升复合材料耐磨性能方面有显著作用.
随着科学技术的急速发展，单一增强的铝基复合材料已经很难满足如今日益增长的需求.由两种或者两种以上增强体构成的混杂增强可发挥多种增强体各自的优势，取得比单一增强更好的效
有学者发现通过调控增强相空间构型可解决金属基复合材料强韧性倒置问题.在增强相体积分数一定时，相对于均匀分布，增强相非均匀分布的非均质复合材料可获得更好的强化效果、更高的弹性模量，尤其可大幅提高材料的高温强
对于转子、活塞、齿轮和刹车盘等易磨损部件而言，耐磨性是切实需要考虑的问题.事实上，在诸多实际应用中，磨损性能是一个重要的考虑因素.例如，在汽车制造领域，诸如制动片和活塞等部分元件，以及在航空产业中，如飞机轴和制动系统等易消耗零件，各种部件的耐磨程度关乎其功能表现以及使用周期，倘若出现磨损过快或者损坏，可能会引发重大经济损
本文以纳米SiC颗粒/晶须混杂增强铝基复合材料为研究对象，构建双重网络结构的铝基复合材料（aluminum matrix composite with dual network structure，AMC-DNC）.采用喷雾造粒和放电等离子烧结（SPS）工艺，构建出复合材料中增强相和基体合金的双重网络结构，结合摩擦磨损性能测试和微观组织表征，分析不同构型对复合材料性能的影响.
1 实验方法
1.1 实验材料
本实验所用原材料包括8009Al、6061Al、SiC颗粒（粒径约300 nm）和SiC晶须.其中8009Al和6061Al合金粉末的化学成分如
| 元素 | Fe | V | Si | Mn | Cr | Al |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 含量 | 8.8 | 1.4 | 1.7 | 0.1 | 0.1 | Bal |
| 元素 | Mg | Si | Fe | Cu | Mn | Al |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 含量 | 1.1 | 0.5 | 0.2 | 0.3 | 0.1 | Bal |
1.2 制备工艺流程
AMC-DNC的制备工艺流程示意图如
图1 复合材料制备流程图
Fig.1 Flow chart of composite material preparation
以6061Al合金粉末和SiCw为原料，以160 r/min的转速进行低能球磨（球料比为4∶1）2 h，确保粉末均匀分散.接着，将混合粉末与预制的造粒粉末按照比例（8009Al∶6061Al为3∶1；SiCp∶SiCw为5∶1）添加，并进行低能搅拌分散、均匀混合.同时，制备了一批相同比例但未经造粒处理的8009Al/SiCp粉末，之后同样添加6061Al合金粉末和SiCw进行低能球磨处理，以确保粉末均匀混合.随后，采用SPS工艺制备出AMC-DNC和增强相均匀分布的复合材料（aluminum matrix composites with uniform structure，AMC-US），并进行性能测试和分析.
1.3 摩擦磨损实验
实验过程中，使用SFT-2M型球盘式摩擦磨损试验机，对两种复合材料进行摩擦磨损测试.摩擦力的变化情况通过力传感器进行全过程实时监测和记录.实验开始之前，先把烧结试样切割成10 mm× 10 mm×5 mm的形状，以便于后续的摩擦磨损测试.然后使用400~500目的砂纸进行打磨.通过SJ-210型表面粗糙度测试仪仔细测量了两种材料的表面粗糙度，得知AMC-DNC和AMC-US的表面粗糙度分别为0.576 μm和0.637 μm.选用了GCr15不锈钢球作为对摩擦副.摩擦磨损测试条件：实验温度室温，滑动总距离为150 m，施加载荷为2 N、4 N、6 N、8 N和10 N，转动速率为50 r/min、100 r/min、200 r/min、400 r/min和800 r/min.
2 结果与讨论
2.1 复合材料微观形貌及性能分析
图2 两种复合材料的XRD图谱
Fig.2 XRD patterns of the two composites
图
图3 AMC-DNC和AMC-US的显微组织形貌
Fig.3 Microstructure of AMC-DNC and AMC-US
（a）AMC-DNC （b）AMC-US
2.2 不同载荷和转速对摩擦系数和磨损率的影响
2.2.1 不同载荷对摩擦系数和磨损率的影响
（a） AMC-DNC
（b） AMC-US
图4 不同载荷下AMC-DNC和AMC-US的瞬时摩擦系数
Fig.4 Instantaneous friction coefficients of AMC-DNC and AMC-US under different loads
两种复合材料在不同载荷条件下的磨损率如
图5 不同载荷下AMC-DNC和AMC-US的磨损率
Fig.5 Wear rate of AMC-DNC and AMC-US under different loads
2.2.2 不同转速对摩擦系数和磨损率的影响
从
（a） AMC-DNC
（b） AMC-US
图6 不同转速下AMC-DNC和AMC-US的瞬时摩擦系数
Fig.6 Instantaneous friction coefficients of AMC-DNC and AMC-US at different rotation speeds
从
由
图7 不同转速下AMC-DNC和AMC-US的磨损率
Fig.7 Wear rate of AMC-DNC and AMC-US at different rotation speeds
2.3 复合材料磨损表面与磨屑分析
由
（a） AMC-DNC，2 N
（b） AMC-DNC，6 N
（c） AMC-DNC，10 N
（d） AMC-US，2 N
（e） AMC-US，6 N
（f） AMC-US，10 N
图8 不同载荷下AMC-DNC和AMC-US的磨痕形貌
Fig.8 Abrasion morphology of AMC-DNC and AMC-US under different loads
这些颗粒被捕捉并嵌入磨痕的表面，导致了三体磨损.AMC-US的磨损试样明显出现了分层，此外在高硬度磨球循环摩擦作用下也出现了部分剥落现象.载荷为6 N时，随着载荷的增加，可以观察到图中AMC-DNC的磨损试样出现分层的现象，犁沟表现出浅且不连续的特点，其边缘区域发现更多塑性变形.主要的磨损机制为分层和氧化剥落磨损.并且从
（a） AMC-DNC，2 N
（b） AMC-DNC，6 N
（c） AMC-DNC，10 N
（d） AMC-US，2 N
（e） AMC-US，6 N
（f） AMC-US，10 N
图9 不同载荷下AMC-DNC和AMC-US的磨屑形貌
Fig.9 Chip morphology of AMC-DNC and AMC-US under different loads
（a） AMC-DNC，50 r·mi
（b） AMC-US，50 r·mi
（c） AMC-DNC，800 r·mi
（d） AMC-US，800 r·mi
图10 不同转速下AMC-DNC和AMC-US的磨痕形貌
Fig.10 Abrasion morphology of AMC-DNC and AMC-US at different rotation speeds
（a） AMC-DNC，50 r·mi
（b） AMC-US，50 r·mi
（c） AMC-DNC，800 r·mi
（d） AMC-US，800 r·mi
图11 不同转速下AMC-DNC和AMC-US的磨屑形貌
Fig.11 Chip morphology of AMC-DNC and AMC-US at different rotation speeds
2.4 复合材料摩擦磨损机制分析
AMC-DNC和AMC-US两种复合材料的磨损机制涵盖磨粒磨损、氧化磨损、剥层磨损以及黏着磨损.
| 试样 | 工艺参数 | 磨损机制 | |||
|---|---|---|---|---|---|
磨粒 磨损 | 氧化 磨损 | 剥层 磨损 | 黏着 磨损 | ||
| AMC-DNC | 2 N-200 r/min | ◆◆◆ | ◆◆ | ||
| 6 N-200 r/min | ◆ | ◆◆◆ | ◆◆ | ||
| 10 N-200 r/min | ◆ | ◆◆ | ◆◆◆ | ◆◆ | |
| 6 N-50 r/min | ◆◆ | ◆◆ | ◆ | ◆ | |
| 6 N-800 r/min | ◆ | ◆◆ | ◆◆ | ◆◆◆ | |
| AMC-US | 2 N-200 r/min | ◆◆ | ◆◆ | ◆ | |
| 6 N-200 r/min | ◆ | ◆◆ | ◆◆ | ◆ | |
| 10 N-200 r/min | ◆ | ◆◆ | ◆◆◆ | ||
| 6 N-50 r/min | ◆◆ | ◆◆ | ◆◆ | ◆ | |
| 6 N-800 r/min | ◆◆◆ | ||||
3 结 论
采用喷雾造粒和放电等离子烧结技术，调控多元多尺度增强相在两种合金的分布，构建双重网络结构的纳米SiC颗粒/晶须混杂增强8009Al/6061Al复合材料.
1） XRD图谱分析表明：制备的两种复合材料主要组成成分为Al、SiC和Al12（Fe，V）3Si相，表明SPS制备的两种复合材料比较理想.在AMC-DNC中未发现明显的孔洞缺陷，测得其致密度为98.1%，平均显微硬度为131.7 HV0.2；而AMC-US表面有明显的孔洞等缺陷，测得其致密度为99.2%，平均显微硬度为119.8 HV0.2.AMC-DNC的致密度小于AMC-US，但其硬度值反而比AMC-US大.
2） 摩擦磨损分析表明：在低载荷、低转速下以磨粒磨损为主，AMC-DNC磨损表面出现大量由摩擦副造成的犁沟；随着载荷和转速的增加，磨损机制逐渐转变为以剥层磨损为主.复合材料表面犁削同时导致SiC颗粒断裂脱落，使脱落下来的SiC颗粒嵌入磨损表面形成了三体磨损；高载荷、高转速下，摩擦表面以片状磨屑剥落的方式形成剥层磨损.
3） 相同摩擦磨损实验条件下，AMC-DNC表现出优于AMC- US的耐磨损性能，即增强相非均匀构型的设计在一定程度上延缓了磨损机制的转变过程，有助于提升复合材料的耐磨性能.
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