搅拌摩擦加工过程中特有的热力耦合作用能够用于改善热喷涂涂层组织、提高涂层综合性能,为扩大热喷涂涂层应用范围、提高热喷涂涂层服役期限提供了解决方法,从试验阶段走向工业生产将具有不可估量的经济效益。本文采用搅拌摩擦加工方法制备了钢基镍铬铝复合层、高速钢复合层,运用OM、SEM、EDS、HVS等手段来进行分析测试,验证了FSP强化涂层复合层的可行性,研究了FSP使显微组织、界面结构发生改变的作用机制,分析了工艺参数对复合层显微组织的影响、涂层与基体元素发生快速互扩散行为,发现了FSP后复合层显微硬度显著提高、结合强度提高的规律,总结了FSP强化复合层的作用机理。通过试验、检测、分析、总结得到了以下结论:(1)原始热喷涂涂层与基体的结合界面,镍铬铝涂层是机械结合与冶金结合的综合作用,高速钢涂层则主要是机械结合;经过FSP后,二者界面都可以消除形成致密复合层,但镍铬铝复合层中是元素扩散和再结晶形成的固相扩散焊合,而高速钢复合层是半塑形涂层与部分细化基体混合塑性流动焊合。FSP后复合层的洋葱环形貌是软化程度不同的塑性涂层材料按先后顺序相互叠加在相邻位置留下的轨迹线。(2)横向对比结果:搅拌头转速w提高可以使细晶区面积扩大、热影响区面积扩大;水平进给速度v处于一定“门槛值”之内时,增大水平进给速度导致热输入量减少;搅拌道次n增加可以使复合层致密度提高、均匀化面积增加;根据涂层厚度,增加下压改变量?h能使锻压力增大、增加复合层厚度。塑性变形量F的大小直接影响作用区微观结构形貌:虽然未得到F与四种参数在数学量上的关系式,但是研究发现,F与w成正比,F与v成反比,F与n成正比,F与?h成正比。(3)纵向对比结果:FSP过程加工区按照受塑性变形、热影响区域可分为:FSZ、TMAZ、HAZ。按照FSP后微观结构变化划分:镍铬铝复合层从涂层表面到基体深处依次为BZ、RLZ、FRZ、ECZ,最为理想试样影响区厚度约为260?m,本组试验最佳工艺参数为?rwmin/600,?mmvmin/16,n?4次,??h3;此工艺参数下高速钢复合层则分为涂层基体混合区、细晶区、晶粒变形区,影响区厚度将近300?m。FSP后涂层与基体元素发生了快速互扩散现象,原始涂层与基体界面处有元素富集现象,FSP后镍铬铝复合层和高速钢复合层的涂层、基体显微硬度都有显著提高,结合强度相比于各自对比样提高3倍左右。(4)FSP使组织发生改变的作用机制:在力场和累计塑性变形的联合作用下,位错不断运动并增殖,出现了明显的胞状组织和位错的塞积,同时热机械作用使动态再结晶温度下降,动态成核在晶界上发生,逐步将原始粗大晶粒吃掉,形成纳米级晶粒,两种复合层都发生了动态再结晶,只是动态再结晶程度不同。使复合层得到强化的作用机制机制是四方面的综合作用:一是FSP能消除原始涂层缺陷,二是细晶强化,三是加工硬化强于加工软化的作用,四是元素扩散带来的合金强化作用。将FSP加工过程受力行为分解为水平方向和竖直方向的理想力学模型,从力学角度解释了塑性流动作用机理。