一種中厚板合金材料的晶粒細(xì)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種中厚板合金材料的晶粒細(xì)化方法，屬于金屬材料加工及改性技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]材料的強(qiáng)度、塑性、韌性會隨著晶粒尺寸的減小而得到顯著的提高，中厚板合金材料主要是通過乳制得到的，而乳后材料內(nèi)的晶粒粗大且分布不均勻。因此，通過晶粒細(xì)化來改善材料的綜合力學(xué)性能是國內(nèi)外一種研究的熱點(diǎn)。但是，通過乳制板材獲得超細(xì)晶材料在現(xiàn)有工藝上仍存在一定的難度。
[0003]攪拌摩擦加工(Frict1n Stir Processing，簡稱FSP)是由攪拌摩擦焊技術(shù)(Frict1n Stir Welding，簡稱FSW)演變而來的一種用于材料改性或制備復(fù)合材料的工藝。FSW是Thomas等人于1991年針對焊接性較差的合金而開發(fā)的一種新型固相連接技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，2001年密蘇里大學(xué)的Mishra教授依據(jù)FSW焊接原理，提出了一種適用于材料微觀組織改性和制造的方法，即攪拌摩擦加工。
[0004]因此，本發(fā)明提供了一種新型、簡便的中厚板合金晶粒細(xì)化方法，該方法可以有效地細(xì)化合金的晶粒。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種中厚板合金材料的晶粒細(xì)化方法。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種中厚板合金材料的晶粒細(xì)化方法，該方法是采用攪拌摩擦加工工藝對中厚板合金材料進(jìn)行晶粒細(xì)化的，其包括以下步驟:
[0007]在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的條件下，將攪拌頭的攪拌針緩慢扎入所述中厚板合金材料直至攪拌頭的軸肩與材料表面相接觸，然后使攪拌針在材料中行進(jìn)，完成第一次攪拌摩擦加工；重復(fù)所述攪拌摩擦加工操作，相鄰兩次攪拌摩擦加工過程中，加工路徑之間的距離為
0.1-100_，直至完成中厚板合金材料的晶粒細(xì)化。
[0008]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，本發(fā)明對攪拌頭的攪拌針扎入所述中厚板合金材料的位置不作具體要求，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)材料的形狀及現(xiàn)場作業(yè)需要選擇合適的位置進(jìn)行扎入，只要能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的晶粒細(xì)化目的即可。
[0009]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，攪拌摩擦加工過程中，攪拌頭的軸肩與材料表面之間的距離為0.05-1.0mm。
[0010]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述“軸肩與材料表面相接觸”是指將軸肩下壓到距離材料表面0.05-1.0mm，以保證接觸的壓入量大小合適，飛邊均勻。其目的是使軸肩及攪拌針能夠與材料充分發(fā)生作用，并通過摩擦產(chǎn)生熱量，且軸肩還能夠?qū)Σ牧掀鸬揭欢ǖ氖站圩饔谩?br>[0011]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，本發(fā)明對攪拌針在材料中行進(jìn)的方向和軌跡均不作具體要求，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)材料的形狀及現(xiàn)場作業(yè)需要使得攪拌針沿著合適的方向和軌跡在材料中行進(jìn)，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的晶粒細(xì)化目的即可。
[0012]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，每次攪拌摩擦加工還包括在同一加工路徑進(jìn)行多道次攪拌摩擦加工操作。
[0013]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，由于一些合金存在單相晶?？焖匍L大的結(jié)晶動力學(xué)特性，因此要想獲得超細(xì)晶粒，可以對中厚板合金材料進(jìn)行重疊攪拌摩擦加工，即在中厚板合金材料同一加工路徑上進(jìn)行連續(xù)的多道次攪拌摩擦加工。如在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式中，在中厚板合金材料同一加工路徑上進(jìn)行連續(xù)的兩道次攪拌摩擦加工，對第一次采用大熱量輸入加工，第二次采用小熱量輸入加工，以獲得細(xì)晶組織材料；所述的大熱量輸入可以通過采用較小的攪拌針行進(jìn)速度，較大的旋轉(zhuǎn)速度，較大的攪拌頭來實(shí)現(xiàn)。
[0014]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式中，針對不同厚度的合金材料，可以在同一加工路徑進(jìn)行多道次攪拌摩擦加工，以獲得均勻細(xì)小的等軸超細(xì)晶組織材料。
[0015]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，所述方法還包括在相鄰兩次攪拌摩擦加工過程中對所述中厚板合金材料進(jìn)行熱處理工藝。
[0016]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，所述熱處理工藝為本領(lǐng)域常規(guī)的技術(shù)手段，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)需要，選擇合適的熱處理條件(如熱處理的升溫速率、最高溫度、最高溫度停留時間、冷卻速率、冷卻時間及冷卻介質(zhì)等)對所述中厚板合金材料進(jìn)行熱處理，以細(xì)化中厚板合金材料內(nèi)的晶粒，獲得等軸細(xì)晶或超細(xì)晶組織材料。
[0017]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，攪拌摩擦加工過程中，所述攪拌針的行進(jìn)速度為5-2000mm/mino
[0018]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，攪拌摩擦加工過程中，所述攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為30-10000r/mino
[0019]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，攪拌摩擦加工過程中，所述攪拌頭的攪拌針壓入深度為0.01-3mm。
[0020]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，攪拌摩擦加工過程中，所述攪拌頭的傾角為0_5oo
[0021]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，中厚板合金材料的厚度通常在4-15mm之間，其不僅可以指矩形和正方形材料，也可以是圓形或橢圓形等任意形狀的材料。
[0022]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，本發(fā)明所用的攪拌頭為本領(lǐng)域常規(guī)的設(shè)備，其示意圖如圖2所示，該攪拌頭包括夾持部分、軸肩和攪拌針輔助執(zhí)行裝置(包括緊定螺釘或轉(zhuǎn)接套)，該攪拌頭為一體式攪拌工具，即所述夾持部分、軸肩和攪拌針不分離。根據(jù)加工工藝的不同，攪拌針可設(shè)計為圓柱體、三棱柱體或帶有螺紋或溝槽的結(jié)構(gòu)。對于中厚板合金，軸肩上最好加工成螺旋線或環(huán)狀結(jié)構(gòu)的凹錐面結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)既可以滿足材料加工質(zhì)量控制，還可以有效控制晶粒的粒度。
[0023]本發(fā)明所提供的中厚板合金材料的晶粒細(xì)化方法的原理是:加工過程中通過攪拌工具的高速旋轉(zhuǎn)并緩慢將攪拌工具扎入工件的待加工部位，旋轉(zhuǎn)過程中攪拌針受到軸向力的作用，扎入材料內(nèi)部直至軸肩與工件表面接觸。攪拌針扎入材料后與材料發(fā)生劇烈摩擦和攪拌，由摩擦和劇烈塑性變形產(chǎn)生的熱量將加工區(qū)內(nèi)的金屬材料軟化，同時發(fā)生劇烈塑性流動。攪拌工具旋轉(zhuǎn)的同時沿著加工方向與工件相對移動，塑性材料由攪拌工具前部向后部流動，同時在攪拌工具軸肩的擠壓作用下形成致密的加工區(qū)。在攪拌摩擦加工過程中，材料未達(dá)到熔點(diǎn)溫度，且受攪拌工具攪拌產(chǎn)生的劇烈塑性變形使加工區(qū)晶粒破碎，同時因材料受到大量熱導(dǎo)致變形區(qū)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，最終使材料晶粒得到充分細(xì)化，從而可以大幅度提高材料的綜合力學(xué)性能。與其他金屬材料晶粒細(xì)化技術(shù)相比，攪拌摩擦加工技術(shù)明顯的優(yōu)勢在于:在整個晶粒細(xì)化過程中是以摩擦和劇烈塑性變形熱作為熱源，使用機(jī)械加工的方法實(shí)現(xiàn)了材料的晶粒細(xì)化；并且加工過程中不改變原材料的形狀、尺寸，