搅拌摩擦加工铸态铝铁合金组织和性能研究

　　搅拌摩擦加工(FSP)是在搅拌摩擦焊接(FSW)基础上发展起来的一种新型有效的加工技术，可用于材料微观组织改性和新型材料制备。加工过程中，利用高速旋转搅拌头的搅拌和摩擦作用，使加工区材料混合破碎，并发生剧烈塑性变形和热机循环作用，实现微观结构的细化、致密化和均匀化。

　　FSP可破碎粗大枝晶组织和第二相，溶解沉淀相，消除铸态缺陷，显著改善金属材料的性能。铝铁合金具有质轻、耐热性好和抗腐蚀等诸多优良性能，在航天航空领域有着广泛的应用前景。普通熔铸铝铁合金中，铁在铝中的固溶度很低，主要生成Al3Fe等金属间化合物。

　　Al3Fe呈针状或片状，严重割裂基体，成为应力集中源，显著降低铝铁合金的力学性能。控制和改善含铁相的形态、大小和分布，能使铝铁合金成为实用的结构材料，提高合金性能和实际应用价值。因此，寻求有效的加工细化方法成为解决问题的关键。目前采用高压扭转和等径弯曲等强塑性变形方法能显著细化组织和Al3Fe金属间化合物，增加铁原子在铝基体中的固溶度，提高该合金的力学性能。不过这些方法加工工序复杂，而且得到的试样尺寸较小，因而在实际应用中受到限制。

　　FSP能有效的细化合金组织，适合连续加工制备大面积的块状材料，是一种很有潜力的材料细化方法。因此，本文采用FSP对普通熔铸方法制备出的铝铁合金进行3道次往复加工，研究3道次加工后铝铁合金组织和性能的变化。

　　实验用99.9%工业纯铝和Al-20Fe中间合金为原材料，配制含铁3%(质量分数)的Al-3%Fe合金。合金在箱式电阻炉中用石墨坩埚熔炼，经除气和精炼后，于820℃在铜模中浇注成100mm×80mm×5mm板坯试样。FSP实验在改造的X5032型立式升降台铣床上进行。搅拌头材料为W18Cr4V，轴肩直径为16mm，搅拌针直径为5mm，高度为3.8mm。搅拌头旋转速度为1180r/min，焊接速度为47.5mm/min。对铸态合金进行3道次往复FSP。

　　合金铸态组织存在大量针状Al3Fe相，尺寸约为20～50μm。经搅拌摩擦加工后，针状Al3Fe相被破碎成长度小于1μm的粒状，弥散均匀分布在铝基体中。铸态组织转变为低位错密度的再结晶晶粒，基体中存在细小的含铁亚稳相。搅拌摩擦加工后，加工区的显微硬度较铸态区降低，但分布较均匀。加工区合金的抗拉强度稍微下降，延伸率显著增大。搅拌摩擦加工前后，合金拉伸断口呈现出微孔聚合韧性断裂特征。加工前，韧窝呈抛物线状的撕裂韧窝，韧窝尺寸较小而且较浅，而加工后的韧窝形貌呈等轴状。