專利名稱：攪拌摩擦焊接復(fù)合擠壓制備高性能微/納米塊體技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通過機(jī)械加工制備高性能金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，是一種在攪拌摩擦焊的基礎(chǔ)上配合扭轉(zhuǎn)擠壓(擠壓軸方向?yàn)楹附臃较?，對材料進(jìn)行劇烈塑性成形，制備無空洞和縫隙的標(biāo)準(zhǔn)微納米塊體材料。
背景技術(shù)：
納米技術(shù)是上世紀(jì)90年代初開始發(fā)展的新興科技，主要是探索介于宏微觀之間但更接近于微觀的納米尺度物質(zhì)體系的運(yùn)動規(guī)律及其相互作用關(guān)系。由于其對信息科學(xué)、 生命科學(xué)及材料科學(xué)等科學(xué)技術(shù)的巨大推動作用而受到世界各國的高度重視并得以迅猛發(fā)展，目前在材料、信息、能源、環(huán)境、生命以及軍事等領(lǐng)域都已得到廣泛應(yīng)用。金屬納米多晶體是納米材料學(xué)與納米機(jī)械學(xué)的交叉研究領(lǐng)域，主要研究晶粒尺寸 1 IOOnm之間的金屬多晶體的各種組織力學(xué)性能、特征及規(guī)律，是現(xiàn)代納米技術(shù)的重要組成部分。由于納米多晶體包含的原子數(shù)介于IO2 IO7之間，空位、間隙置換原子、位錯(cuò)層錯(cuò)等各種微觀熱動力學(xué)統(tǒng)計(jì)缺陷不再具有宏觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律，晶體內(nèi)部的材料微觀缺陷顯著降低，部分晶體甚至接近于完整晶體，表現(xiàn)出極高的材料強(qiáng)度特征，其中彈性剛度及塑性強(qiáng)度的提高幅度可以達(dá)到1000%。顯然，如果能夠通過納米化的方法制備高性能鈦合金塊體材料則對于促進(jìn)鈦合金作為工程結(jié)構(gòu)材料，尤其是航空、航天、裝甲等先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用將具有重要意義。但目前金屬納米多晶體的制備方法仍處于探索階段，常用的有原位生成、粉末冶金、非晶晶化、電沉積、凝固控制及劇烈塑性成形等方法。與基于物理化學(xué)過程的制備方法相比，劇烈塑性成形(Severe Plastic Deformation, SPD)制備的納米多晶體具有組織致密、無微孔隙及界面弱連接、不易引入雜質(zhì)、界面組織清潔及無顆粒團(tuán)聚等優(yōu)點(diǎn)。但與納米顆粒固化制備的納米晶塊體相比，目前劇烈塑性成形制備的納米晶塊體存在納米晶尺寸偏大QOOnm 300nm)、重復(fù)變形過程中納米晶直徑存在飽和值、強(qiáng)化幅度偏低(宏觀力學(xué)性能提高幅度僅為100% 120% )等問題，無法充分發(fā)揮納米晶的高強(qiáng)化特征。造成這些現(xiàn)象的主要原因是變形過程中劇烈的剪切應(yīng)力在引起晶粒沿剪切方向發(fā)生劇烈相對滑動的同時(shí)，剪切面兩側(cè)材料的晶內(nèi)微觀塑性行為無法協(xié)調(diào)原子間鍵合關(guān)系的重新構(gòu)建，晶粒細(xì)化表現(xiàn)為剪斷型細(xì)化，形成大量以微裂紋微孔洞為代表的微觀缺陷。尤其對于強(qiáng)化相彌散分布及強(qiáng)化元素原子半徑與基體原子半徑差別較大的固溶強(qiáng)化合金， 其微缺陷的形核生長及分布表現(xiàn)得更為廣泛和迅速。此外由于劇烈塑性成形制備納米晶體以剪切變形為主，變形區(qū)材料靜水壓力幾乎為零，劇烈剪切所引起的微缺陷無法得到及時(shí)的閉合和修復(fù)，造成通過以等徑角擠為代表的劇烈塑性變形制備的微納米多晶體材料的宏觀力學(xué)性能有時(shí)不僅沒有顯著提高，甚至還會低于粗晶，嚴(yán)重影響了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前劇烈塑性成形制備微納米多晶體存在納米晶直徑飽和及強(qiáng)化幅度偏低，無法充分發(fā)揮納米晶高強(qiáng)化特征的問題，以被廣泛航空航天領(lǐng)域的鈦，鋁等合金為主要對象，給出了一種焊接擠壓復(fù)合的制備工程結(jié)構(gòu)用高質(zhì)量微納米鈦合金塊體材料的新方法，具有工藝簡單，便于實(shí)現(xiàn)，適合制備多種金屬材料微納米多晶體的特點(diǎn)。本發(fā)明包括攪拌摩擦焊與劇烈塑性成形擠壓兩道基本工序，均可在傳統(tǒng)焊接及擠壓設(shè)備上完成，無需額外設(shè)備投資，非常適合中小企業(yè)的技術(shù)升級和改造。本發(fā)明主要包括以下內(nèi)容第一步攪拌摩擦焊接及下料。可通過攪拌摩擦焊設(shè)備進(jìn)行攪拌摩擦焊，或直接購買用攪拌摩擦焊焊接過后的金屬合金(鈦，鋁等)進(jìn)行切割，保留焊縫作為扭轉(zhuǎn)擠壓劇烈塑性成形待擠壓的坯料型材。第二步扭轉(zhuǎn)擠壓劇烈塑性成形(如圖1)。將經(jīng)攪拌摩擦焊接后下料得到的合金坯料置于扭轉(zhuǎn)擠壓擠壓筒中，通過相應(yīng)的擠壓設(shè)備配合扭轉(zhuǎn)擠壓模具進(jìn)行扭轉(zhuǎn)擠壓劇烈塑性變形。依托擠壓過程中以擠壓軸為中心的劇烈軸對稱剪切變形與攪拌摩擦焊金屬流動方向的垂直變形關(guān)系，在不改變坯料截面幾何形狀的條件下趨使合金晶粒發(fā)生劇烈的交叉扭轉(zhuǎn)變形，形成對合金晶粒的細(xì)化。
第三步取樣分析，力學(xué)性能測試及微觀組織觀察。對于扭轉(zhuǎn)擠壓變形后得到的材料進(jìn)行顯微分析，確定晶粒尺寸及宏觀機(jī)械性能的變化，確定是否滿足設(shè)計(jì)要去或是否需要進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)擠壓變形。本發(fā)明的工作原理在摩擦攪拌焊接中，由于攪拌頭在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)對變形材料施加了較大的正壓力，類似于是高壓扭轉(zhuǎn)變形(見圖2)，因此通過攪拌摩擦焊的焊接，焊縫處材料已經(jīng)經(jīng)歷了一次劇烈變形，晶粒得到初步細(xì)化，尤其焊縫下部是細(xì)小的等軸晶粒。在此基礎(chǔ)上，考慮導(dǎo)攪拌摩擦焊金屬以垂直板材方向?yàn)檩S的軸對稱金屬流動特征，取焊縫附近材料為擠壓變形坯料，以焊接方向?yàn)閿D壓方向進(jìn)行扭轉(zhuǎn)擠壓劇烈塑性成形，由于擠壓變形方向與摩擦焊的擠壓方向互相垂直，利用兩種變形金屬流動的互補(bǔ)性細(xì)化晶粒，改善組織， 制備高質(zhì)量微納米多晶體塊體。
具體實(shí)施例方式本專利具體實(shí)施過程中涉及坯料的制備、擠壓設(shè)備的選擇、劇烈扭轉(zhuǎn)擠壓模具的制造、劇烈塑性成形擠壓變形以及經(jīng)劇烈塑性成形后的材料組織結(jié)構(gòu)及性能的測試分析， 主要包括一 合金坯料的制備、設(shè)備選型及模具的制造。根據(jù)最終成形合金構(gòu)件的幾何尺寸結(jié)合攪拌摩擦焊設(shè)計(jì)加工相應(yīng)的坯料?？少徶靡呀?jīng)攪拌摩擦焊焊接一體的材料通過機(jī)械加工(銑)或電加工(線切割)得到焊縫位置滿足幾何尺寸要求的坯料，也可以根據(jù)構(gòu)件的幾何尺寸自行進(jìn)行攪拌摩擦焊并切割得到焊縫位置材料。同時(shí)根據(jù)最終成形合金構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完成擠壓力的計(jì)算及擠壓設(shè)備的選型，并加工制造相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)擠壓模具。
二 扭轉(zhuǎn)擠壓劇烈塑性成形工藝設(shè)計(jì)制定。根據(jù)材料的宏微觀結(jié)構(gòu)及組織特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制定扭轉(zhuǎn)擠壓劇烈塑性成形工藝，主要指加工道次。由于單一劇烈塑性成形的晶粒細(xì)化存在飽和，因此道次擠壓盡量不超過4次。三材料組織性能測試分析。對經(jīng)扭轉(zhuǎn)擠壓的材料進(jìn)行宏觀材料性能及微觀組織測試，分析最終材料性能及組織特點(diǎn)。由于攪拌摩擦焊焊縫位置材料的不均勻性，對于未滿足設(shè)計(jì)要求的材料進(jìn)行進(jìn)一步的扭轉(zhuǎn)擠壓劇烈塑性成形加工。四最終成形件的表面處理、截?cái)嗉昂罄^加工。對于經(jīng)測試分析滿足要求的材料進(jìn)行表面處理，并根據(jù)零件尺寸進(jìn)行截?cái)嗉氨４婧秃罄^加工。實(shí)施例1 5)(5mm正方截面鈦合金微納米多晶型材從工廠直接購買經(jīng)過攪拌摩擦焊接的鈦合金材料，由于模具型腔尺寸為5X5mm，購買的材料焊縫沿厚度大于5mm，寬度大于5mm，長度大于30mm。。首先制備截面為正方形的鈦合金型材?？紤]到表面質(zhì)量及后繼表面處理加工精度的要求，可先加工成6X6mm的正方形截面鈦合金焊縫型材，導(dǎo)圓角，長度可根據(jù)實(shí)際需求確定。其次計(jì)算擠壓力，根據(jù)擠壓力及生產(chǎn)條件選擇擠壓設(shè)備并加工制造相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)擠壓模具，在滿足擠壓噸位的要求下，擠壓設(shè)備既可選用立式也可選用臥式擠壓機(jī)。擠壓道次可選擇3-4道次扭轉(zhuǎn)擠壓后，為保證金屬流動的均勻性變形過程中可將坯料旋轉(zhuǎn)180度。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擠壓劇烈塑性成形時(shí)，潤滑可選用二硫化鉬或高性能納米潤滑劑。最終通過組織性能測試確定微觀組織滿足設(shè)計(jì)要求后，如對表面質(zhì)量有要求則可通過機(jī)械加工方式對所加工棒材進(jìn)行表面處理，否則正方形截面鈦合金型材材微納米多晶塊體可直接交貨。實(shí)施例2制備6mm*8mm矩形截面鋁合金型材微納米多晶體。從工廠直接購買經(jīng)過攪拌摩擦焊接的鋁合金系列材料，由于模具型腔尺寸為 6X8mm,購買的材料焊縫沿厚度大于6mm，寬度大于8mm，長度大于30mm。首先制備截面為正方形的鋁合金型材?？紤]到表面質(zhì)量及后繼表面處理加工精度的要求，可先加工成7X9mm的正方形截面鋁合金焊縫型材，導(dǎo)圓角，長度可根據(jù)實(shí)際需求確定。其次計(jì)算擠壓力，根據(jù)擠壓力及生產(chǎn)條件選擇擠壓設(shè)備并加工制造相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)擠壓模具，在滿足擠壓噸位的要求下，擠壓設(shè)備既可選用立式也可選用臥式擠壓機(jī)。擠壓道次可選擇3-4道次扭轉(zhuǎn)擠壓后，為保證金屬流動的均勻性變形過程中可將坯料旋轉(zhuǎn)180度。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擠壓劇烈塑性成形時(shí)，潤滑可選用二硫化鉬或高性能納米潤滑劑。最終通過組織性能測試確定微觀組織滿足設(shè)計(jì)要求后，如對表面質(zhì)量有要求則可通過機(jī)械加工方式對所加工棒材進(jìn)行表面處理，否則6X8mm矩形截面鈦合金型材材微納米多晶塊體可直接交貨。


圖1是扭轉(zhuǎn)擠壓變形示意圖。 圖2是攪拌摩擦焊接過程示意圖。
權(quán)利要求
1.攪拌摩擦焊復(fù)合擠壓制備高性能微/納米塊體技術(shù)的特征在于 第一步攪拌摩擦焊接及下料?？赏ㄟ^攪拌摩擦焊設(shè)備進(jìn)行攪拌摩擦焊，或直接購買用攪拌摩擦焊焊接過后的金屬合金(鈦，鋁等)進(jìn)行切割，保留焊縫作為扭轉(zhuǎn)擠壓劇烈塑性成形待擠壓的坯料型材。第二步扭轉(zhuǎn)擠壓劇烈塑性成形(見說明書附1)。將經(jīng)攪拌摩擦焊后下料得到的合金坯料置于扭轉(zhuǎn)擠壓擠壓筒中，通過相應(yīng)的擠壓設(shè)備配合扭轉(zhuǎn)擠壓模具進(jìn)行扭轉(zhuǎn)擠壓劇烈塑性變形。依托擠壓過程中以擠壓軸為中心的劇烈軸對稱剪切變形與攪拌摩擦焊金屬流動方向的垂直變形關(guān)系，在不改變坯料截面幾何形狀的條件下趨使合金晶粒發(fā)生強(qiáng)烈的交叉扭轉(zhuǎn)變形，形成對合金晶粒的細(xì)化。第三步取樣分析，力學(xué)性能測試及微觀組織觀察。對于扭轉(zhuǎn)擠壓變形后得到的材料進(jìn)行顯微分析，確定晶粒尺寸及宏觀機(jī)械性能的變化，確定是否滿足設(shè)計(jì)要去或是否需要進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)擠壓變形。
全文摘要
在摩擦攪拌焊接中，由于攪拌頭在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)對變形材料施加了較大的正壓力，類似于是高壓扭轉(zhuǎn)變形，因此通過攪拌摩擦焊的焊接，焊縫處材料已經(jīng)經(jīng)歷了一次劇烈變形，晶粒得到初步細(xì)化，尤其焊縫下部是細(xì)小的等軸晶粒。在此基礎(chǔ)上，考慮導(dǎo)攪拌摩擦焊金屬以垂直板材方向?yàn)檩S的軸對稱金屬流動特征，取焊縫附近材料為擠壓變形坯料，以焊接方向?yàn)閿D壓方向進(jìn)行扭轉(zhuǎn)擠壓劇烈塑性成形，由于擠壓變形方向與摩擦焊的擠壓方向互相垂直，利用兩種變形金屬流動的互補(bǔ)性細(xì)化晶粒，改善組織，制備高質(zhì)量微納米多晶體塊體。
文檔編號C21D7/02GK102373320SQ201110148219
公開日2012年3月14日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者張妍婧, 李洪洋, 李薇薇, 陳成 申請人:北京理工大學(xué)