專利名稱：一種基于超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝制備超細(xì)晶/納米晶板材的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦加工的工藝方法，尤其涉及一種板材背面無支撐且基于超聲聲空化效應(yīng)的半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法。
背景技術(shù)：
:攪拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)是英國焊接研究所于1991年提出的一種新型固相焊技術(shù)，具有優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、無污染等優(yōu)點，在航空、航天、汽車、船舶等領(lǐng)域有著眾多的應(yīng)用對象?；跀嚢枘Σ梁傅乃枷?，美國的Mishra博士提出了攪拌摩擦加工(Friction stir processing, FSP),即利用攪拌頭所造成加工區(qū)域材料的劇烈塑性變形、混合、破碎，實現(xiàn)材料微觀組織的細(xì)化、均勻化與致密化。目前，這種加工工藝方法在鋁合金或鎂合金等的細(xì)晶超塑性材料制備方面取得了大量的成果。但從目前的研究現(xiàn)狀來看，除了少部分低熔點合金(如AZ31)可實現(xiàn)材料顯微結(jié)構(gòu)的納米化之外，鋁合金與鎂合金實現(xiàn)納米化較困難。因此，許多研究者開始提出一些基于攪拌摩擦加工的工藝方法，比如水浸FSP、多道次FSP等，通過這些方法可盡一步細(xì)化晶粒尺寸，進而達(dá)到改善材料性能的目的。發(fā)明內(nèi)容:本發(fā)明為了制備鋁合金、鎂合金等低熔點合金的超細(xì)晶/納米晶板材，提出板材背面無支撐技術(shù)與超聲聲空化效應(yīng)相結(jié)合的半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法。該方法的攪拌加工工具由不旋轉(zhuǎn)軸肩與高速旋轉(zhuǎn)的攪拌針組成。在加工過程，可振動的攪拌針發(fā)出超聲波并對處于半固態(tài)下的金屬材料產(chǎn)生聲空化效應(yīng)，起到細(xì)化晶粒的目的；與常規(guī)攪拌摩擦加工不同，在加工過程中待加工板材的背面無需墊板等結(jié)構(gòu)來支撐，可進一步加強超聲波的振動作用并細(xì)化晶粒。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種基于超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝制備超細(xì)晶/納米晶板材的方法，具體采用以下步驟:步驟一、將待加工板材水平放置在墊板上并固定好，其中墊板結(jié)構(gòu)由墊板與多個等尺寸的墊塊組成，在加工過程中，利用墊塊相對位置的變化實現(xiàn)攪拌針正下方懸空；步驟二、攪拌工具以1000 7000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速扎入板材表面且穿透板材，可根據(jù)待加工板材加工過程中溫度的具體情況來選擇攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度，使板材達(dá)到半固態(tài)；攪拌工具的扎入速度為I 5mm/分，直到不旋轉(zhuǎn)軸肩的端面與板材上表面接觸后，沿垂直板材表面的方向繼續(xù)下壓0.1 0.3mm ;軸肩不旋轉(zhuǎn),且軸肩直徑為3 5倍的板材厚度；步驟三、超聲換能器的超聲波通過與超聲變幅桿相聯(lián)的攪拌針直接傳遞到待加工區(qū)域，超聲波的參數(shù)如下:頻率為40 80K以及振幅為20 60 μ m，可根據(jù)待加工板材的具體情況來選擇超聲波的頻率，使加工及其附近區(qū)域的晶粒得到充分細(xì)化，利用超聲波在半固態(tài)材料中傳播時產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)細(xì)化晶粒的效果；步驟四、當(dāng)攪拌工具達(dá)到設(shè)定的下扎深度時，攪拌針停止下扎且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)3 8分鐘，進行材料預(yù)熱，可根據(jù)待加工板材加工過程中的溫度的具體情況來選擇攪拌針的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時間，使板材的待加工區(qū)域得到充分的預(yù)熱，使板材更容易達(dá)到半固態(tài)；然后攪拌工具以50 500mm/分的速度沿著板材縱向方向從左至右往返梯次向前運動,直到整個板材表面加工完畢為止；可根據(jù)待加工板材加工過程中的溫度的具體情況來選擇攪拌工具的移動速度，使板材達(dá)到半固態(tài)。所述的攪拌工具包括攪拌針、超聲換能器、不旋轉(zhuǎn)軸肩及超聲變幅桿。超聲換能器固定在超聲變幅桿上。超聲變幅桿固定在攪拌針上。攪拌針由連接在一起的主攪拌針和輔助攪拌針組成。不旋轉(zhuǎn)軸肩套裝在主攪拌針上。主攪拌針為錐形體且表面由鋸齒狀結(jié)構(gòu)組成，最大根部直徑為1.2 1.5倍板材厚度且錐角小于5° ;輔助攪拌針為錐形體，最大直徑為主攪拌針直徑的1.3 2倍，輔助攪拌針上表面兩母線的最大夾角為140° 160°，輔助攪拌針下表面兩母線的最大夾角為90° 120° ;主攪拌針最大直徑處(根部)到輔助攪拌針的最小距離比板厚大于0.2 0.5mm，且主攪拌針最大直徑處(根部)到輔助攪拌針的最大距離與最小距離之差比墊塊厚度小2 6mm ;墊塊的寬度是主攪拌針最大直徑的I 4倍；在加工過程中，板材懸空區(qū)域的寬度與輔助攪拌針最大直徑的差比主攪拌針的最大直徑大4 20mm。本發(fā)明的有益效果:一、在加工過程中，被加工材料達(dá)到半固態(tài)，是一種半固態(tài)攪拌摩擦加工方法，與常規(guī)攪拌摩擦加工方法不同。為使材料達(dá)到半固態(tài)，攪拌針需高速旋轉(zhuǎn)，使具有更小粘度的半固態(tài)材料經(jīng)歷更大的應(yīng)變以及應(yīng)變速率，以利于晶粒細(xì)化。二、在加工過程中，攪拌針高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱量，不旋轉(zhuǎn)攪拌針面向出現(xiàn)液化成份的材料表面施加超聲波振動，利用超聲波在半固態(tài)材料中傳播時產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)細(xì)化晶粒。三、攪拌針由主攪拌針與輔助攪拌針兩部分組成，主攪拌針主要位于板材內(nèi)部，輔助攪拌針位于板材之外。在加工過程中，攪拌針扎穿板材，可實現(xiàn)板材沿厚度方向的晶粒細(xì)化，使鋁合金、鎂合金等低熔點金屬板材的整體超細(xì)晶/納米晶化成為可能。四、在加工過程中軸肩不旋轉(zhuǎn)，因此不會產(chǎn)生弧紋等結(jié)構(gòu)，不僅使加工后的材料后處理工作簡單，還會減少材料的浪費。五、在加工過程中，基于背部無支撐技術(shù)使待加工金屬材料區(qū)域下方懸空，可進一步提聞超聲波的振動作用，細(xì)化晶粒。


圖1是攪拌工具的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為攪拌針處的局部放大圖。圖3是本發(fā)明的工作過程示意圖。圖4是攪拌摩擦加工過程攪拌針與板材的位置關(guān)系示意圖。圖中:1.超聲換能器，2.超聲變幅桿，3.不旋轉(zhuǎn)軸肩，4.主攪拌針，5.輔助攪拌針，6.攪拌針，7.攪拌工具，8.板材，9.墊板，10.墊塊。
具體實施例方式實施例一如圖1-圖4所示:所述的攪拌工具7包括攪拌針6、超聲換能器1、不旋轉(zhuǎn)軸肩3及超聲變幅桿2。超聲換能器I固定在超聲變幅桿2上。超聲變幅桿2固定在攪拌針6上。攪拌針6包括連接在一起的主攪拌針4和輔助攪拌針5。不旋轉(zhuǎn)軸肩3套裝在主攪拌針4上。主攪拌針4為錐形體且表面由鋸齒狀結(jié)構(gòu)組成，最大根部直徑d2為1.3倍板材厚度T且錐角小于5° ;輔助攪拌5針為錐形體，最大直徑d3為主攪拌針直徑d2的1.6倍，輔助攪拌針5上表面兩母線的最大夾角β為150°，輔助攪拌針5下表面兩母線的最大夾角α為100° ;主攪拌針最大根部直徑d2處到輔助攪拌針5的最小距離H1比板厚T大于0.3mm,且主攪拌針最大根部直徑d2處到輔助攪拌針的最大距離H2與最小距離之差H1比墊塊厚度H3小4mm;墊塊的寬度W2是主攪拌針最大直徑d2的3倍；在加工過程中，板材8懸空區(qū)域的寬度W1與輔助攪拌針最大直徑d3的差比主攪拌針的最大直徑d2大12_。本實施例所述的一種基于超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝制備超細(xì)晶/納米晶板材的方法是按照以下步驟實現(xiàn)的:步驟一、為了板材8整體的超細(xì)晶/納米化，必須滿足如下條件:攪拌針6扎穿板材8。因此，為避免因攪拌針6與墊板之間的接觸而造成的攪拌針6的損壞，攪拌針6正下方區(qū)域應(yīng)懸空，即背面無支撐技術(shù)。將待加工板材8水平放置在設(shè)計的墊板結(jié)構(gòu)9、10上并固定好；其中墊板結(jié)構(gòu)由墊板9與多個等尺寸的墊塊10組成；在加工過程中，利用墊塊10相對位置的變化實現(xiàn)攪拌針6正下方懸空；步驟二、攪拌針6以5000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速扎入板材8表面且穿透板材8，扎入速度為3mm/分，直到不旋轉(zhuǎn)軸肩3的端面與板材8上表面接觸后，沿垂直板材8表面的方向繼續(xù)下壓0.2mm ;固定軸肩3不旋轉(zhuǎn)，且軸肩直徑(I1為4倍的工件厚度T ；步驟三、超聲換能器I的超聲波通過與超聲變幅桿2相聯(lián)的攪拌針6直接傳遞到待加工區(qū)域，超聲波的參數(shù)如下:頻率為60K以及振幅為45 μ m，利用超聲波在半固態(tài)材料中傳播時產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)細(xì)化晶粒的效果；步驟四、當(dāng)攪拌工具針達(dá)到設(shè)定的下扎深度時，攪拌針6停止下扎且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)6分鐘，進行材料預(yù)熱，然后攪拌工具7以200mm/分的速度沿著板材8縱向方向從左至右往返梯次向前運動，直到整個板材8表面加工完畢為止。如圖3所示:不旋轉(zhuǎn)軸肩3的端面與待加工板材8的上表面緊密貼合后下壓0.1 0.3mm;板材8背面的墊板結(jié)構(gòu)由墊板9與多個等尺寸的墊塊10組成，其中墊塊數(shù)量根據(jù)實際情況調(diào)整。實施例二:本實施例在步驟二中，所述的攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度為7000轉(zhuǎn)/分。其它步驟與具體實施方式
一相同。實施例三:本實施例在步驟三中，所述的超聲波頻率為50K。其它步驟與具體實施方式
二相同。實施例四:本實施例在步驟四中，所述的攪拌工具以50mm/min的速度沿著水平方向移動。其它步驟與具體實施方式
一相同。實施例五:本實施例在步驟四中，所述的當(dāng)攪拌工具達(dá)到設(shè)定的下扎深度時，攪拌針停止下扎且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)8分鐘。其它步驟與具體實施方案四相同。
權(quán)利要求
1.一種基于超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝制備超細(xì)晶/納米晶板材的方法，具體采用以下步驟: 步驟一、將待加工板材水平放置在墊板上并固定好，其中墊板結(jié)構(gòu)由墊板與多個等尺寸的墊塊組成，在加工過程中，利用墊塊相對位置的變化實現(xiàn)攪拌針正下方懸空； 步驟二、攪拌工具以1000 7000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速扎入板材表面且穿透板材，扎入速度為I 5mm/分，直到不旋轉(zhuǎn)軸肩的端面與板材上表面接觸后，沿垂直板材表面的方向繼續(xù)下壓0.1 0.3_ ;軸肩不旋轉(zhuǎn)，且軸肩直徑為3 5倍的板材厚度； 步驟三、超聲換能器的超聲波通過與超聲變幅桿相聯(lián)的攪拌針直接傳遞到待加工區(qū)域，超聲波的參數(shù)如下:頻率為40 80K以及振幅為20 60 μ m ; 步驟四、當(dāng)攪拌工具達(dá)到設(shè)定的下扎深度時，攪拌針停止下扎且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)3 8分鐘，進行材料預(yù)熱，然后攪拌工具以50 500mm/分的速度沿著板材縱向方向從左至右往返梯次向前運動，直到整個板材表面加工完畢為止。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝制備超細(xì)晶/納米晶板材的方法，其特征在于:所述的攪拌工具包括攪拌針、超聲換能器、不旋轉(zhuǎn)軸肩及超聲變幅桿；超聲換能器固定在超聲變幅桿上，超聲變幅桿固定在攪拌針上，攪拌針由連接在一起的主攪拌針和輔助攪拌針組成，不旋轉(zhuǎn)軸肩套裝在主攪拌針上。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝制備超細(xì)晶/納米晶板材的方法，其特征在于:所述的主攪拌針為錐形體且表面由鋸齒狀結(jié)構(gòu)組成，最大根部直徑為1.2 1.5倍板材厚度且錐角小于5°。
4.如權(quán)利要求2所述的一種基于超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝制備超細(xì)晶/納米晶板材的方法，其特征在于:輔助攪拌針為錐形體，最大直徑為主攪拌針直徑的1.3 2倍，輔助攪拌針上表面兩母線的最大夾角為140° 160°，輔助攪拌針下表面兩母線的最大夾角為90° 120°。
5.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝制備超細(xì)晶/納米晶板材的方法，其特征在于:主攪拌針最大直徑處到輔助攪拌針的最小距離比板厚大于0.2 0.5mm，且主攪拌針最大直徑處到輔助攪拌針的最大距離與最小距離之差比墊塊厚度小2 6mm。
6.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝制備超細(xì)晶/納米晶板材的方法，其特征在于:墊塊的寬度是主攪拌針最大直徑的I 4倍。
7.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝制備超細(xì)晶/納米晶板材的方法，其特征在于:在加工過程中，板材懸空區(qū)域的寬度與輔助攪拌針最大直徑的差比主攪拌針的最大直徑大4 20mm。
全文摘要
一種基于超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝制備超細(xì)晶/納米晶板材的方法，首先將待加工板材水平放置在墊板上并固定好,然后攪拌工具以1000～7000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速扎入板材表面且穿透板材，直到不旋轉(zhuǎn)軸肩的端面與板材上表面接觸后。超聲換能器的超聲波通過與超聲變幅桿相聯(lián)的攪拌針直接傳遞到待加工區(qū)域，利用超聲波在半固態(tài)材料中傳播時產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)細(xì)化晶粒的效果。當(dāng)攪拌工具達(dá)到設(shè)定的下扎深度時，攪拌針停止下扎且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)3～8分鐘，進行材料預(yù)熱，然后攪拌工具以50～500mm/分的速度沿著板材縱向方向從左至右往返梯次向前運動，直到整個板材表面加工完畢為止。
文檔編號B23K20/12GK103121145SQ20131005066
公開日2013年5月29日 申請日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者姬書得, 高雙勝, 岳玉梅, 李亮, 張利國, 呂贊, 馬秩男 申請人:沈陽航空航天大學(xué)