專利名稱：大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接領(lǐng)域，涉及一種攪拌摩擦制備金屬基復(fù)合材料的方法，尤其是一種大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的顯著優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)化效果異常顯著，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出金屬基體的性能，這是由于連續(xù)纖維強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料中載荷主要由強(qiáng)度高的纖維承擔(dān)，而基體的主要作用是粘結(jié)與固定增強(qiáng)體；有較好的塑性以傳遞與分配載荷；保護(hù)基體不受環(huán)境損壞[參見西安交通大學(xué)材料學(xué)院.復(fù)合材料學(xué)(講義).2005年8月，7-8，35-38， 80-84.]。金屬基體通常是連續(xù)存在并致密地包圍任一增強(qiáng)體，而纖維以獨(dú)立的網(wǎng)狀或單向束狀分布于基體之中。常用的金屬基體無疑首選輕金屬基體如鋁、鈦；常用的纖維有碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維(SiC纖維與Al2O3纖維)以及金屬纖維(如不銹鋼絲、鎢絲、鉬絲、鋼絲等)。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的缺點(diǎn)在于制備成本很高，因而限制了其廣泛應(yīng)用。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法大體可分為兩大類，即金屬基體被熔化的液相法和金屬基體不熔化的固相法[參見西安交通大學(xué)材料學(xué)院.復(fù)合材料學(xué)(講義).2005年8月，7-8，35-38,80-84.]。其中液相法包括熔滲法(常壓熔浸、真空熔浸、 加壓熔浸、組合熔浸)、鑄造法(擠壓鑄造與真空鑄造)等；固相法主要有熱壓法、熱等靜壓法、固態(tài)擴(kuò)散結(jié)合法、壓力加工法(熱軋、熱拉拔、熱擠壓)、爆炸焊接法等。液相法為保證纖維/基體間的潤濕性或限制界面反應(yīng)相過度增厚，需對纖維進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，因而顯著延長了工期并增大了成本。而基于變形或擴(kuò)散的熱-壓聯(lián)合作用的固相法也存在有待改進(jìn)的缺點(diǎn)。上述絕大多數(shù)固相法都依賴于爐中加熱。爐中加熱方法耗能高、能量利用率低；緩慢的加熱/冷卻速度不僅使生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低，而且易使界面過度反應(yīng)；產(chǎn)品尺寸亦受爐膛尺寸限制。另外，還需耐熱的加壓裝置，對設(shè)備要求高。特別需要強(qiáng)調(diào)的是，在采用鋁材作基體時，由于鋁材表面的氧化膜致密、穩(wěn)定、強(qiáng)固而難以去除，使鋁基體的擴(kuò)散焊的可焊性極差，必然影響纖維/鋁基體與鋁/鋁基體之間的結(jié)合性能。這些問題很大程度地制約了纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展。2003年美國密蘇里羅拉大學(xué)的R. S. Mishra基于1991年英國焊接研究所(TWI)提出的攪拌摩擦焊FSW(friction stir welding)[參見Mishra R S,Ma Z Y. Friction stir welding and processing. Materials Science and Engineering R, 2005, 50 :1-78.]技術(shù)開發(fā)出一種新型材料改性及表面復(fù)合材料制備技術(shù)——攪拌摩擦加工FSP (friction stir processing)技術(shù)[參見Mishra R S，Ma Z Y. Charit I. Friction stir processing a novel technique for fabrication of surface composite. Materials Science and Engineering A，2003，341 (1-2) :307-310.]，該方法是一種固態(tài)加工方法，綠色節(jié)能環(huán)保。R. S. Mishra的思路是，先在鋁板材表面外涂SiC陶瓷粉末，并利用針的驅(qū)散、攪拌作用，成功將SiC陶瓷粉末嵌入鋁板材的表層，從而在鋁母材的表面制備出SiC顆粒增強(qiáng)鋁基表面復(fù)合材料(surface composite)，其表面的復(fù)合層厚度在50 200 μ m。該項(xiàng)技術(shù)在表面復(fù)合材料制備領(lǐng)域影響迅速且巨大，迅速引研究人員的關(guān)注，日本、韓國、中國臺灣等研究人員均開展了 FSP制備顆粒增強(qiáng)的表面復(fù)合材料的研究[參見Ma Z Y. Friction stir processing technology :a review. Metallurgical and Materials TransactionA，2008， 39A :642-658 ；張貴鋒，韋中新，張軍，蘇偉，張建勛.攪拌摩擦處理(FSP)- —種新型綠色表面強(qiáng)化技術(shù).焊管，2009,32(1 :23-30.]。目前的研究主要集中于如何迅速改善陶瓷顆粒分布的均勻性。申請者受R. S. Mishra利用FSP技術(shù)制備“顆粒強(qiáng)化表面復(fù)合材料”的啟發(fā)，首次提出了 “利用FSB技術(shù)來制備纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的技術(shù)”方法，并在申請者前期關(guān)于搭接攪拌摩擦焊中鍛壓效應(yīng)與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的強(qiáng)化、搭接情況下優(yōu)化界面去膜方法等研究的基礎(chǔ)上(見申請者在國內(nèi)外所發(fā)論文)[參見Zhang G F，Su W, Zhang J, Wei Z X，Zhang J X. Visual observation of effect of tilting tool on forging action during FSff of aluminium sheet.Science and Technology of Welding and Joining,2011, 16(1) :87-91 ；Zhang G F, Su W, Zhang J, Wei Z X, Zhang J X. Effects of shoulder on interfacial bonding during friction stir lap welding of aluminum thin sheets using tool without pin. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2010, 20 (12) :2223-2228; Zhang Guifeng, Su Wei, Zhang Jianxun, Wei Zhongxin. Friction stir brazing :a novel process for fabricating Al/Steel layered composite and for dissimilar joining of Al to Steel. Metallurgical and Materials Transactions A,2011,42(9) ^50-2861;張貴鋒，蘇偉，張軍，張建勛.攪拌摩擦焊中鍛壓效應(yīng)的強(qiáng)化與作用.電焊機(jī)， 2011,41(1) :39-45]，經(jīng)實(shí)驗(yàn)已在解決工具設(shè)計(jì)、表面成形、雙效應(yīng)去膜、界面致密性、纖維分布均勻性、提高效率、減小飛邊等諸多問題后已取得成功，從而奠定了該新技術(shù)的可行性基礎(chǔ)。在攪拌工具的設(shè)計(jì)選擇方面，選擇無針攪拌工具，以消除針對纖維網(wǎng)的破壞或損傷， 并消除了針拔出后在焊道末端殘留的匙孔；在改善鋁/鋁基體界面結(jié)合方面，在巧妙利用鍛壓效應(yīng)與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)破碎膜的基礎(chǔ)上，還可通過預(yù)置Si箔帶作釬料( 與Al無金屬間化合物生成)以進(jìn)一步改善氧化膜的“擠出條件與效果”，從而降低對塑性變形的苛求，更為有意義的是避免了對纖維網(wǎng)的損傷；在提高生產(chǎn)效率方面，已成功實(shí)現(xiàn)了 40mm、50mm大直徑攪拌頭的順利應(yīng)用，解決了大直徑攪拌頭易使飛邊陡增的難題。在研究利用FSB制備纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的可行性階段，選擇了便宜易得的市售鍍鋅鋼絲篩網(wǎng)(絲徑ΙΟΟμπι)作為增強(qiáng)相，以利用其本身的編織結(jié)構(gòu)簡化纖維的預(yù)置問題，縮短研發(fā)周期。當(dāng)采用其他材質(zhì)網(wǎng)狀增強(qiáng)體時，操作方法相同。以下以制備鋼絲網(wǎng)強(qiáng)化的鋁基復(fù)合材料板材為例，通過文字與照片詳細(xì)介紹本發(fā)明提出的“大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料技術(shù)”的思路、方法、工具、技術(shù)難點(diǎn)的解決以及實(shí)施效果。

發(fā)明內(nèi)容
針對傳統(tǒng)固相擴(kuò)散、熱壓制備法普遍采用的爐中加熱方法存在加熱慢、工期長、需保護(hù)或真空環(huán)境、耗能高、爐膛與工件尺寸小、加壓設(shè)備復(fù)雜且昂貴、界面去膜及界面相可控性差等不足，本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種簡捷、節(jié)能、低制造成本與低設(shè)備投資、高靈活性的纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料技術(shù)。為此，申請者提出了一種能迅速加熱與加壓、并將加熱與加壓兩者合二為一、靈活簡便的纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的攪拌摩擦加工制備技術(shù)， 即“大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料技術(shù)”；并為提高效率，對 40 50mm以上大直徑肩會產(chǎn)生的特殊情況(如肩前飛邊的陡增、纖維的損傷、雙層疊加表面成形、組織分布的均勻性)等特殊問題進(jìn)行了綜合分析，給出了系列解決方案，保證了本發(fā)明所述制備過程的順利進(jìn)行。本發(fā)明提出的“大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料技術(shù)”的工序?yàn)轭A(yù)打磨清洗金屬基板片；在兩金屬基板間以預(yù)置方式夾入經(jīng)預(yù)處理的纖維網(wǎng)或單向纖維束，要求覆板完全覆蓋并足以保護(hù)纖維網(wǎng)；同時，為防止纖維損傷而采用無針柱狀工具，并將無針攪拌摩擦工具適度傾斜安裝；啟動無針工具在覆板表面旋轉(zhuǎn)摩擦并移動， 利用肩的鍛壓效應(yīng)與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)所產(chǎn)生的塑性變形梯度場，既可破碎金屬基體界面的氧化膜，又可使經(jīng)摩擦而發(fā)熱軟化的金屬基體發(fā)生圍繞纖維絲的塑性流動而包裹纖維絲，從而同時實(shí)現(xiàn)纖維與其兩側(cè)金屬基板間的致密復(fù)合以及上下金屬基板間的致密焊合。當(dāng)纖維因界面過度塑性變形而出現(xiàn)損傷、排布變得不均勻時，或界面組織不均勻時(如在后退側(cè)出現(xiàn)界面間隙)，可加入釬料，一方面進(jìn)一步通過基體溶解去膜、加強(qiáng)氧化膜的擠出，從而降低對界面處單一利用塑性變形去膜的苛求，另一方面界面處的液態(tài)釬料可起到潤滑的作用， 從而可避免纖維排布發(fā)生混亂(常常發(fā)生在前進(jìn)側(cè))，增寬允許使用參數(shù)的范圍，減小焊合效果的分散性。當(dāng)采用40 50mm以上大直徑無針攪拌工具時，為消除大直徑軸肩極易產(chǎn)生嚴(yán)重的肩前飛邊，要求肩的前沿應(yīng)適當(dāng)露出而處于非完全接觸狀態(tài)，避免肩前飛邊的連續(xù)累積而最終使纖維裸露出。當(dāng)采用大直徑無針工具時，在焊道表面出現(xiàn)雙層表面疊加式表面成形時，應(yīng)及時清理肩上厚度不一的粘附金屬(此時這些厚度不一的粘附金屬實(shí)際充當(dāng)了雙層肩的工具)。以下進(jìn)一步較為系統(tǒng)地展開介紹實(shí)施本發(fā)明的工況特點(diǎn)、技術(shù)難點(diǎn)、解決方案及本發(fā)明的特點(diǎn)必須指明，搭接攪拌摩擦焊所要求的上/下界面間的混合比攪拌摩擦對焊所要求的左/右界面間的混合更難以實(shí)現(xiàn)(對接情況下待焊界面垂直于針旋轉(zhuǎn)方向而易于實(shí)現(xiàn)左右混合，然而，搭接情況下待焊界面平行于針旋轉(zhuǎn)方向而難于產(chǎn)生豎向塑性流動，使上下界面間難混合)，而“無針”工具更加加劇了上/下搭接界面間混合的難度?；谶@些基本考慮，實(shí)施本發(fā)明所提出的新技術(shù)的難點(diǎn)在于(1)在“無針”情況下，如何實(shí)現(xiàn)上下搭接的基體/基體界面間的去膜、密合或混合？(2)如何實(shí)現(xiàn)基體/增強(qiáng)體界面間的焊合？(3)在 “無針”情況下，假若依賴鍛壓效應(yīng)與界面扭轉(zhuǎn)效應(yīng)(雙效應(yīng))實(shí)現(xiàn)上述界面間的焊合，這樣勢必會在界面處產(chǎn)生較大的塑性變形，因此會導(dǎo)致纖維分布均勻性的破壞或纖維的損傷， 那么，如何解決改善界面結(jié)合與纖維分布之間的這一固有矛盾(除了合理選擇參數(shù)途徑之外)？(4)當(dāng)為提高效率而采取大直徑攪拌頭時，如何抑制陡增的飛邊而保證過程順利進(jìn)行與良好的表面成形？只有回答了這些問題才能保證該技術(shù)的順利實(shí)施。為此，本發(fā)明在熱源、工具設(shè)計(jì)、表面成形、雙效應(yīng)去膜、提高效率、減小飛邊(特別當(dāng)采用大直徑無針工具時)、減小纖維的非均勻性與損傷、改善組織均勻性等諸多方面的構(gòu)建了如下方案及特點(diǎn)，簡述如下(1)在熱源方面選擇潔凈、集中、高利用率的摩擦熱為熱源，為節(jié)能、快速加熱與增加靈活性創(chuàng)造了條件。有必要指出，申請者認(rèn)為，其他高能量密度熱源，如激光束、電子束、等離子束以及電弧這些熔焊用熱源是難以用作纖維強(qiáng)化金屬基(Al)復(fù)合材料熱源的， 分析認(rèn)為其原因主要有薄的金屬基體極易被燒穿；處于嚴(yán)重過熱的液態(tài)金屬極易與纖維 (包括金屬纖維與陶瓷纖維)反應(yīng)而溶解、損傷、消耗纖維或生成有害的界面相(如脆且易吸潮的Al4C3)；焊道成形外觀方面也不及摩擦加熱美觀；因加熱區(qū)域狹窄使單道熔焊的效率也不及大直徑摩擦加熱的效率高。(2)在攪拌工具的設(shè)計(jì)選擇方面選擇無針攪拌工具，以消除針對纖維網(wǎng)(束)的破壞或損傷；并消除了針拔出后在焊道末端殘留的匙孔，這樣，既避免了材料的浪費(fèi)，又改善了外觀平整度。(3)在加壓及改善界面結(jié)合方面從工具方面看，通過適度傾斜安裝工具，可強(qiáng)化鍛壓效應(yīng)與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，從而強(qiáng)化了利用塑性變形破膜的效果以及軟化金屬圍繞纖維的塑性流動效果，有利于促使兩類不同的界面，即基體/基體界面與纖維/基體界面間的緊密接觸。另一方面，有必要強(qiáng)調(diào)指出，從母材方面看，薄的基體為顯化鍛壓效應(yīng)與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的效果提供了可能。正是由于制備纖維強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料所用的金屬基板片較薄，才可在“無針”情況下，依賴鍛壓效應(yīng)與界面扭轉(zhuǎn)效應(yīng)(雙效應(yīng))順利實(shí)現(xiàn)上下搭接的基體/基體界面間的去膜、密合與混合。另一方面，快速的集中加熱可使界面迅速升至反應(yīng)所需溫度而后又快速冷卻，為抑制界面過度反應(yīng)提供了有利條件，也為簡化金屬型或非金屬型纖維芯材預(yù)處理提供了可能。(4)在免除保護(hù)方面通過適度傾斜安裝工具，強(qiáng)化了鍛壓效應(yīng)，防止了空氣向肩 /基體界面以及焊接界面間的侵襲。(5)在改善鋁/鋁基體界面結(jié)合方面在活用鍛壓效應(yīng)與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)破碎膜的基礎(chǔ)上，還可通過預(yù)置ai箔帶作釬料( 與Ai無金屬間化合物生成)以進(jìn)一步改善氧化膜的 “擠出條件與效果”，從而降低對塑性變形的苛求，(6)在防止纖維損傷及排布的不均勻性方面，預(yù)置釬料可以可起到潤滑的作用，從而可避免纖維排布發(fā)生混亂(常常發(fā)生在前進(jìn)側(cè))及纖維網(wǎng)的損傷，增寬允許使用參數(shù)的范圍，減小焊合效果的分散性。(7)在提高生產(chǎn)效率方面目前實(shí)驗(yàn)已證實(shí)通過大直徑、高焊速兩方面提高生產(chǎn)效率是完全可行的。為提高效率，采用“大直徑”無針柱狀攪拌摩擦工具是必然之路。對于常用的7. 5KW主軸電機(jī)，目前實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可采用40 50mm大直徑無針攪拌摩擦工具 (普通攪拌摩擦焊所用軸肩的直徑通常為15 20mm)，單道焊道寬度相應(yīng)可達(dá)40 50mm 寬；當(dāng)電機(jī)功率在7. 5KW以上時可采用更大直徑的無針攪拌摩擦工具施焊，單道效率更高。 在焊速方面，對于40mm直徑的無針柱狀攪拌頭，目前實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊速可高達(dá)300mm/ min(見徐明志2010年6月本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文)。之所以在如此高的焊速下也是可行的原因在于，雖然高焊速使熱輸入減小，但經(jīng)實(shí)測豎向鍛壓力發(fā)現(xiàn)，軸肩的鍛壓力卻隨著焊速增加而增加，因此強(qiáng)化了工具的鍛壓效應(yīng)(行進(jìn)中鍛壓力測試見卿晶晶2010年6月畢業(yè)設(shè)計(jì)論文；張凱2011年6月碩士學(xué)位論文)。(8)在減小采用大直徑攪拌頭工況下的飛邊方面當(dāng)采用40 50mm以上大直徑無針攪拌工具時，突出的問題主要表現(xiàn)為肩前飛邊的陡增(這一特征不同于常見20mm小直徑攪拌摩擦焊情況)，而且這些肩前飛邊會迅速累積以致纖維裸露而迫使制備過程中斷。為此，肩的前沿應(yīng)適當(dāng)露出而處于非完全接觸狀態(tài)，避免肩前飛邊的連續(xù)累積而最終使纖維裸露出，以此解決大直徑攪拌頭易使飛邊陡增的難題。其思路是，優(yōu)化肩端下前部金屬的塑性流動方向，即促使其向RS側(cè)流動而防止其向前流動進(jìn)行不斷累積，以致在肩前不斷增厚而承載能力加強(qiáng)，最終肩的柱面外周無法對其進(jìn)行有效的環(huán)向剪切與轉(zhuǎn)移。(9)在改善采用大直徑工具情況下的表面成形方面采用大直徑無針工具時，當(dāng)焊道表面出現(xiàn)雙層表面疊加式表面成形時，此時肩端厚度不一的粘附金屬實(shí)際使工具形成雙層肩，應(yīng)及時清理肩上厚度不一的粘附金屬，以獲得單層光滑表面成形。(10)在改善界面組織的均勻性方面為了消除邊緣、特別是后退側(cè)(RS)的界面間隙，可在纖維網(wǎng)上側(cè)加入釬料。對于鋁基板可加入ai箔。若釬料加在纖維網(wǎng)下側(cè)，則覆板 /釬料界面間的熱、力作用效果減弱，無法改善RS側(cè)的致密性。


圖1 “大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料技術(shù)”示意240mm大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料表明成形3纖維分布均勻性(背散射-BSE圖)及其改進(jìn)效果(優(yōu)化焊速；加入Si釬料)圖4基體/基體與基體/纖維兩類界面致密化觀察結(jié)果(在300 500倍的放大倍數(shù)下界面致密而無空隙；在鍛壓效應(yīng)與界面扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的共同作用下，纖維被發(fā)生足夠塑性流變的基體金屬完全包裹)圖5纖維/基體結(jié)合性能測試(抽絲評價)測試結(jié)果(對不同轉(zhuǎn)速150、235、 300mm/min均能獲得一致且重復(fù)性好的結(jié)果，即纖維本身斷裂而并未被抽出，由此表明在很寬的參數(shù)范圍內(nèi)也能穩(wěn)定地獲得纖維/基體界面間的良好結(jié)合)圖6纖維/基體結(jié)合性能測試(抽絲評價)中載荷-位移曲線對20mm寬的絲網(wǎng)復(fù)合材料試樣所得抽絲載荷約為0. 5 0. 6KN，性能穩(wěn)定。其中圖1中1為無針攪拌摩擦工具；2為第一基體金屬板；3為第二基體金屬板； 4為纖維網(wǎng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述以下介紹一具體實(shí)施例。為節(jié)約試驗(yàn)成本，采用的金屬基體為市售1.8mm厚純鋁板，采用的增強(qiáng)體——纖維網(wǎng)為市售鍍鋅鋼絲篩網(wǎng)(絲徑約150μπι)。將鋁板剪成 160X100X1. 8mm的大試樣與1000X60X1. 8mm的小試樣。大試樣采用40 50mm大直徑多道無針柱狀攪拌摩擦工具施焊(受實(shí)驗(yàn)室機(jī)床功率——7. 5KW限制，實(shí)施例中選用的大直徑為40、50mm兩種；而通常攪拌摩擦焊肩的直徑多為15 20mm，遠(yuǎn)小于本發(fā)明實(shí)施例中所采用的40 50mm大直徑)，用以研究大肩高效制備情況下的表面成形影響因素與改進(jìn)工藝；小直徑試樣用以研究界面結(jié)合性能與組織，以節(jié)約實(shí)驗(yàn)材料或防止電機(jī)過載。大直徑情況下工具傾角為1° ；小直徑情況下工具傾角為3°。所有實(shí)驗(yàn)中所用轉(zhuǎn)速均取恒值1500rpm ；焊速試驗(yàn)范圍為23. 5 300mm/min。如圖1所示，將大小鋁板試樣分別對應(yīng)重疊， 并在其中以預(yù)置方式加入上述相應(yīng)尺寸的市售鍍鋅鋼絲篩網(wǎng)，以搭接接頭的形式施焊。實(shí)施效果簡介如下(1)高效大直徑多道無針攪拌摩擦加工表面成形結(jié)果無疑，大直徑工具的采用是提高效率的重要途徑，為此首先介紹改進(jìn)肩/基體接觸摩擦工藝后在大直徑工具情況下的表面成形結(jié)果。為消除大直徑情況下肩前飛邊陡增導(dǎo)致焊接難以為繼，適當(dāng)減小肩下前端與基板表明的接觸面積而優(yōu)化肩下前端金屬塑性流動方向的技術(shù)方案經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)是成功的，見圖2所示采用40mm大直徑無針柱狀工具、2道攪拌摩擦加工所得“鍍鋅鋼絲纖維增強(qiáng)鋁板”復(fù)合材料表面成形呈現(xiàn)焊道光滑、無匙孔、飛邊極小的理想效果?？上驳氖?，這種改進(jìn)后的理想的表面成形效果為采用大直徑無針柱狀攪拌頭來提高生產(chǎn)效率提供了可能。 對實(shí)驗(yàn)室用7. 5KW主軸電機(jī)，目前的實(shí)驗(yàn)水平已達(dá)到最高焊速可達(dá)300mm/min ；最大肩直徑為50mm(直徑還有在下階段實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步增大的潛力)。(2)纖維分布均勻性及其改善對復(fù)合材料的組織評價通常關(guān)注兩個重要方面一是增強(qiáng)體分布的均勻性；二是增強(qiáng)體與基體界面的結(jié)合性，其中增強(qiáng)體/基體界面的致密性應(yīng)是首要要求，否則難以在基體與增強(qiáng)體之間實(shí)現(xiàn)載荷傳遞。在此，在觀察增強(qiáng)體分布均勻性時，考慮到橫截面照片不利于觀察評價橫向纖維的分布而對觀察縱向纖維的分布卻十分方便，故主要以縱向纖維絲為研究重點(diǎn)，考察縱向纖維絲分布的均勻性及其影響因素的合理調(diào)控。 改善纖維分布均勻性措施之一合理選規(guī)范以求取熱-力作用效果與纖維分布的平衡對比圖3a與圖3c可知，焊速會影響界面處縱向纖維的均勻分布。由圖3a可看到，焊速過小(23.5mm/min)時，雖然縱向纖維分布的均勻性在中心區(qū)及后退側(cè)(指工具旋轉(zhuǎn)方向與焊接方向相反的一側(cè)，英文為Retreating Side，圖中縮寫為RS)仍能被很好地保持，但是縱向纖維分布的均勻性在前進(jìn)側(cè)(指工具旋轉(zhuǎn)方向與焊接方向一致的一側(cè)，英文為Advancing Side，圖中縮寫為AS)被破壞。該結(jié)果這表明(1)即使采用無針工具，軸肩的“界面扭轉(zhuǎn)效應(yīng)”也是可以明顯觀察到的，而界面扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的存在十分有利于基體破膜與各種界面間的緊密接觸，為實(shí)現(xiàn)基體/基體與基體/纖維界面間的致密化提供了可能。另外，順便指出，撕裂試樣的斷口可發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格已發(fā)生較為一致的扭曲，表明界面扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對于界面密合應(yīng)是有效而不可忽視的。( 焊速過低使界面扭轉(zhuǎn)變形的累積效果過強(qiáng)，特別是 AS側(cè)縱向纖維的位移累積過度，以致破壞了纖維分布的均勻性。然而，由圖3c可看到，適當(dāng)增大焊速至150mm/min，纖維分布的均勻性沿整個界面都能得到良好保證，這緣于此焊速下在界面變形與纖維分布之間能取得較好的平衡。 改善纖維分布均勻性措施之二 加入釬料對比圖3a與圖北可知，即使對于低焊速5mm/min)的工況，在纖維網(wǎng)的上側(cè)加入ai箔作釬料，可有效消除AS側(cè)纖維分布不均勻的現(xiàn)象?？梢?，在防止纖維損傷及排布的不均勻性方面，預(yù)置釬料可以利用液態(tài)金屬的“潤滑”作用，從而可避免纖維排布發(fā)生混亂(常常發(fā)生在前進(jìn)側(cè))及纖維網(wǎng)的損傷，增寬允許使用參數(shù)的范圍，減小焊合效果的分散性。需要指出的是，試驗(yàn)證實(shí)，若釬料加在纖維網(wǎng)下側(cè)，則覆板/釬料界面間的熱、力作用效果減弱，釬料的熔化、流動等收到一定不利影響(見卿晶晶2010年6月畢業(yè)設(shè)計(jì)論文)。(3)基體/基體及纖維/基體兩類界面之間的致密性及其改善 利用軸肩的鍛壓效應(yīng)與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)界面間的密合圖4為基體/基體與基體/纖維兩類界面致密化觀察結(jié)果。從圖如還可看出，在中心有效焊合區(qū)，即使是屈服強(qiáng)度高的縱向纖維已產(chǎn)生一定塑性變形而趨橢圓狀，這表明鍛壓效應(yīng)的作用效果足夠有效；同時，不難推測，該變形纖維上下的軟基體必然也發(fā)生了顯著的塑性流變。而從圖4b還可以看出，即使在縱向纖維與橫向纖維相交的節(jié)點(diǎn)處，兩者之間的間隙也已被塑性流變金屬有效填充，發(fā)生了圍繞縱向纖維的包裹性塑性流動，這也表明了鍛壓效應(yīng)的存在及其有利且顯著的作用效果?？梢?，在300 500倍的放大倍數(shù)下，本發(fā)明采用無針柱狀工具，利用肩的鍛壓與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)(雙效應(yīng))所產(chǎn)生的塑性變形梯度場，既可破碎金屬基體表面的氧化膜，又可使發(fā)熱而軟化的金屬基體發(fā)生圍繞纖維的塑性流動而包裹纖維，從而同時實(shí)現(xiàn)纖維/基體與基體/基體界面間的致密復(fù)合。當(dāng)放大倍數(shù)調(diào)高至數(shù)千倍時，可在基體/纖維界面局部觀察到約數(shù)微米的金屬間化合物層(圖略)，表明該方法在順利實(shí)現(xiàn)基體/纖維界面的致密化同時，又能有效防止界面金屬間化合物過度增厚。 加入釬料改善RS側(cè)界面致密性，增大致密化總面積對比圖3c與圖3d可看出，在纖維上側(cè)加Si箔釬料后，RS邊緣間隙接近消除(焊速150mm/min)，AS側(cè)纖維排列也整齊。可見，加入釬料可改善RS側(cè)界面致密性，增大致密化總面積。(3)纖維/基體界面結(jié)合性能測試采用抽絲的方法評價了纖維/基體界面間的結(jié)合性能。在測試區(qū)(寬20mm，長約 30mm)與夾持區(qū)(此區(qū)夾有纖維以使測試情況下的溫度場逼近實(shí)際施焊情況下的溫度場) 設(shè)置了無纖維區(qū)(防止夾具夾住纖維以確保僅由界面承擔(dān)外加抽絲載荷)。圖5為對所得復(fù)合材料板材進(jìn)行抽絲評價后纖維斷裂狀況掃描圖，由此可見，對不同轉(zhuǎn)速150、235、300mm/ min(轉(zhuǎn)速均為1500rpm)均能獲得一致且重復(fù)性好的結(jié)果，即纖維本身發(fā)生斷裂但并未被抽出，由此表明在很寬的參數(shù)范圍內(nèi)也能穩(wěn)定地獲得纖維/基體界面間的良好結(jié)合。圖6 為抽絲測試中實(shí)測的載荷-位移曲線，可見，對20mm寬的絲網(wǎng)復(fù)合材料試樣所得抽絲載荷約為0.5 0. 6KN，性能穩(wěn)定。綜上所述，通過上述實(shí)施例的介紹，本發(fā)明提出的“大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料技術(shù)”的可行性及其難點(diǎn)問題的解決思路得到實(shí)證。該新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)可概述如下以潔凈、集中的摩擦熱為熱源，可在大氣環(huán)境下施焊，不使用任何保護(hù)氣體或釬劑；通過軸肩的旋轉(zhuǎn)與傾斜獲得界面扭轉(zhuǎn)效應(yīng)與鍛壓效應(yīng)，并利用金屬基體較薄的有利條件，促使基體軟化并流動；可采用無針大直徑(40 50mm)、高焊速(300mm/min) 高效地施焊，通過調(diào)控肩端與基體的接觸狀態(tài)而優(yōu)化表明金屬層的塑性流動(嚴(yán)格限制軸肩柱狀外周與肩前基體間的摩擦)，使大肩情況下飛邊顯著減小、焊道表面成形光滑、無匙孔；界面致密，同時快速加熱/冷卻防止了界面反應(yīng)相過厚；纖維分布均勻，且纖維/基體界面結(jié)合牢固而使纖維難以被拔出；節(jié)能(加熱集中而使能量利用率高)環(huán)保(無煙塵與飛濺)；采用類似機(jī)加工的方法施焊而使其靈活性變強(qiáng)，極為利于纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材
9料的低成本制備及普及。 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于首先預(yù)打磨清洗第一基體金屬板和第二基體金屬板；其次在第一基體金屬板和第二基體金屬板間以預(yù)置方式夾入經(jīng)預(yù)處理的纖維網(wǎng)或單向纖維束，使一基體金屬板和第二基體金屬板完全覆蓋并足以保護(hù)纖維網(wǎng)；在第一基體金屬板上表面傾斜安裝無針攪拌摩擦工具，啟動無針攪拌摩擦工具在第一基體金屬板表面旋轉(zhuǎn)摩擦并移動，實(shí)現(xiàn)纖維與其兩側(cè)的第一基體金屬板和第二基體金屬板間的致密復(fù)合以及第一基體金屬板和第二基體金屬板間的致密焊合。
2.如權(quán)利要求1所述大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于所述無針攪拌摩擦工具在第一基體金屬板表面旋轉(zhuǎn)摩擦并移動，利用肩的鍛壓效應(yīng)與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)所產(chǎn)生的塑性變形梯度場，破碎金屬基體界面的氧化膜，并使經(jīng)摩擦而發(fā)熱軟化的金屬基體發(fā)生圍繞纖維絲的塑性流動而包裹纖維絲，實(shí)現(xiàn)纖維與其兩側(cè)的第一基體金屬板和第二基體金屬板間的致密復(fù)合以及第一基體金屬板和第二基體金屬板間的致密焊合。
3.如權(quán)利要求1所述大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于所述無針攪拌摩擦工具為40 50mm大直徑無針攪拌頭，在肩端前沿適當(dāng)露出的條件下進(jìn)行多道多層攪拌摩擦加工，制得寬而厚的纖維強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料板材。
4.如權(quán)利要求1所述大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于當(dāng)過度依賴塑性變形去膜而造成對纖維網(wǎng)的損傷、或造成纖維分布的不均勻，須在兩金屬板片間預(yù)置能與基體板片發(fā)生共晶反應(yīng)的釬料。
5.如權(quán)利要求1所述大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于為縮小焊道邊緣處存在界面間隙的范圍，在兩金屬板片間預(yù)置能與基體發(fā)生共晶反應(yīng)的釬料或能與纖維反應(yīng)的活性釬料，用液相填充焊道邊緣的界面間隙。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的方法，首先預(yù)打磨清洗金屬基板片；其次在兩金屬基板間以預(yù)置方式夾入經(jīng)預(yù)處理的纖維網(wǎng)或單向纖維束，要求覆板完全覆蓋并足以保護(hù)纖維網(wǎng)；同時，輕度傾斜安裝無針攪拌摩擦工具；啟動無針工具在覆板表面旋轉(zhuǎn)摩擦并移動，利用肩的鍛壓與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)所產(chǎn)生的塑性變形梯度場，既可破碎金屬基體界面的氧化膜，又可使發(fā)熱而軟化的金屬基體發(fā)生圍繞纖維的塑性流動而包裹纖維，從而同時實(shí)現(xiàn)纖維/基體與基體/基體界面間的致密復(fù)合。采用40～50mm以上大直徑無針攪拌頭進(jìn)行多道多層攪拌摩擦加工可制得大而厚的纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板材。加釬料后可解決纖維損傷與改善界面結(jié)合間的矛盾。
文檔編號B23K20/12GK102319954SQ20111023796
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月18日
發(fā)明者卿晶晶, 張建勛, 張貴鋒, 徐明志 申請人:西安交通大學(xué)