CN102319954A - 大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料的方法，首先预打磨清洗金属基板片；其次在两金属基板间以预置方式夹入经预处理的纤维网或单向纤维束，要求覆板完全覆盖并足以保护纤维网；同时，轻度倾斜安装无针搅拌摩擦工具；启动无针工具在覆板表面旋转摩擦并移动，利用肩的锻压与扭转效应所产生的塑性变形梯度场，既可破碎金属基体界面的氧化膜，又可使发热而软化的金属基体发生围绕纤维的塑性流动而包裹纤维，从而同时实现纤维/基体与基体/基体界面间的致密复合。采用40～50mm以上大直径无针搅拌头进行多道多层搅拌摩擦加工可制得大而厚的纤维增强金属基复合材料板材。加钎料后可解决纤维损伤与改善界面结合间的矛盾。

Description

大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料的方法

技术领域：

本发明属于焊接领域，涉及一种搅拌摩擦制备金属基复合材料的方法，尤其是一种大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料的方法。 

背景技术：

连续纤维增强金属基复合材料的显著优点是强化效果异常显著，远远超出金属基体的性能，这是由于连续纤维强化金属基复合材料中载荷主要由强度高的纤维承担，而基体的主要作用是粘结与固定增强体；有较好的塑性以传递与分配载荷；保护基体不受环境损坏[参见：西安交通大学材料学院.复合材料学(讲义).2005年8月，7-8，35-38，80-84.]。金属基体通常是连续存在并致密地包围任一增强体，而纤维以独立的网状或单向束状分布于基体之中。常用的金属基体无疑首选轻金属基体如铝、钛；常用的纤维有碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维(SiC纤维与Al₂O₃纤维)以及金属纤维(如不锈钢丝、钨丝、钼丝、钢丝等)。 

连续纤维增强金属基复合材料的缺点在于制备成本很高，因而限制了其广泛应用。连续纤维增强金属基复合材料的制备方法大体可分为两大类，即金属基体被熔化的液相法和金属基体不熔化的固相法[参见：西安交通大学材料学院.复合材料学(讲义).2005年8月，7-8， 35-38，80-84.]。其中液相法包括：熔渗法(常压熔浸、真空熔浸、加压熔浸、组合熔浸)、铸造法(挤压铸造与真空铸造)等；固相法主要有热压法、热等静压法、固态扩散结合法、压力加工法(热轧、热拉拔、热挤压)、爆炸焊接法等。液相法为保证纤维/基体间的润湿性或限制界面反应相过度增厚，需对纤维进行复杂的预处理，因而显著延长了工期并增大了成本。而基于变形或扩散的热-压联合作用的固相法也存在有待改进的缺点。 

上述绝大多数固相法都依赖于炉中加热。炉中加热方法耗能高、能量利用率低；缓慢的加热/冷却速度不仅使生产周期长、生产效率低，而且易使界面过度反应；产品尺寸亦受炉膛尺寸限制。另外，还需耐热的加压装置，对设备要求高。特别需要强调的是，在采用铝材作基体时，由于铝材表面的氧化膜致密、稳定、强固而难以去除，使铝基体的扩散焊的可焊性极差，必然影响纤维/铝基体与铝/铝基体之间的结合性能。这些问题很大程度地制约了纤维增强铝基复合材料的应用和发展。 

2003年美国密苏里罗拉大学的R.S.Mishra基于1991年英国焊接研究所(TWI)提出的搅拌摩擦焊FSW(friction stir welding)[参见：Mishra R S，Ma Z Y.Friction stir welding and processing.Materials Science and Engineering R，2005，50：1-78.]技术开发出一种新型材料改性及表面复合材料制备技术——搅拌摩擦加工FSP(friction stir processing)技术[参见：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.]，该方法是一种固态加工方法，绿色节能环保。R.S.Mishra的思路是，先在铝板材表面外涂SiC陶瓷粉末，并利用针的驱散、搅拌作用，成功将SiC陶瓷粉末嵌入铝板材的表层，从而在铝母材的表面制备出SiC颗粒增强铝基表面复合材料(surface composite)，其表面的复合层厚度在50～200μm。该项技术在表面复合材料制备领域影响迅速且巨大，迅速引研究人员的关注，日本、韩国、中国台湾等研究人员均开展了FSP制备颗粒增强的表面复合材料的研究[参见：Ma Z Y.Friction stir processing technology：a review.Metallurgical and Materials TransactionA，2008，39A：642-658；张贵锋，韦中新，张军，苏伟，张建勋.搅拌摩擦处理(FSP)-一种新型绿色表面强化技术.焊管，2009，32(12)：23-30.]。目前的研究主要集中于如何迅速改善陶瓷颗粒分布的均匀性。 

申请者受R.S.Mishra利用FSP技术制备“颗粒强化表面复合材料”的启发，首次提出了“利用FSB技术来制备纤维增强铝基复合材料的技术”方法，并在申请者前期关于搭接搅拌摩擦焊中锻压效应与扭转效应的强化、搭接情况下优化界面去膜方法等研究的基础上(见申请者在国内外所发论文)[参见：Zhang G F，Su W，Zhang J，Wei Z X，Zhang J X.Visual observation of effect of tilting tool on forging action during FSW 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)：2850-2861；张贵锋，苏伟，张军，张建勋.搅拌摩擦焊中锻压效应的强化与作用.电焊机，2011，41(1)：39-45]，经实验已在解决工具设计、表面成形、双效应去膜、界面致密性、纤维分布均匀性、提高效率、减小飞边等诸多问题后已取得成功，从而奠定了该新技术的可行性基础。在搅拌工具的设计选择方面，选择无针搅拌工具，以消除针对纤维网的破坏或损伤，并消除了针拔出后在焊道末端残留的匙孔；在改善铝/铝基体界面结合方面，在巧妙利用锻压效应与扭转效应破碎膜的基础上，还可通过预置Zn箔带作钎料(Zn与Al无金属间化合物生成)以进一步改善氧化膜的“挤出条件与效果”，从而降低对塑性变形的苛求，更为有意义的是避免了对纤维网的损伤；在提高生产效率方面，已成功实现了40mm、50mm大直径搅拌头的顺利应用，解决了大直径搅拌头易使飞边陡增的难题。 

在研究利用FSB制备纤维增强铝基复合材料的可行性阶段，选择了便宜易得的市售镀锌钢丝筛网(丝径100μm)作为增强相，以利用其本身的编织结构简化纤维的预置问题，缩短研发周期。当采用其他材质网状增强体时，操作方法相同。以下以制备钢丝网强化的铝基复合材料板材为例，通过文字与照片详细介绍本发明提出的“大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料技术”的思路、方法、工具、技术难点的解决以及实施效果。 

发明内容

针对传统固相扩散、热压制备法普遍采用的炉中加热方法存在加热慢、工期长、需保护或真空环境、耗能高、炉膛与工件尺寸小、加压设备复杂且昂贵、界面去膜及界面相可控性差等不足，本发明的目的在于开发一种简捷、节能、低制造成本与低设备投资、高灵活性的纤维增强金属基复合材料技术。为此，申请者提出了一种能迅速加热与加压、并将加热与加压两者合二为一、灵活简便的纤维增强金属基复合材料的搅拌摩擦加工制备技术，即“大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料技术”；并为提高效率，对40～50mm以上大直径肩会产生的特殊情况(如肩前飞边的陡增、纤维的损伤、双层叠加表面成形、组织分布的均匀性)等特殊问题进行了综合分析，给出了系列解决方案，保证了本发明所述制备过程的顺利进行。 

本发明提出的“大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料技术”的工序为：预打磨清洗金属基板片；在两金属基板间以预置方式夹入经预处理的纤维网或单向纤维束，要求覆板完全覆盖并足以保护纤维网；同时，为防止纤维损伤而采用无针柱状工具，并将无针搅拌摩擦工具适度倾斜安装；启动无针工具在覆板表面旋转摩擦并移动，利用肩的锻压效应与扭转效应所产生的塑性变形梯度场，既可破碎金属基体界面的氧化膜，又可使经摩擦而发热软化的金属基体发生围绕纤维丝的塑性流动而包裹纤维丝，从而同时实现纤维与其两侧金属基板间的致密复合以及上下金属基板间的致密焊合。当纤维因界面过度塑性变形而出现损伤、排布变得不均匀时，或界面组 织不均匀时(如在后退侧出现界面间隙)，可加入钎料，一方面进一步通过基体溶解去膜、加强氧化膜的挤出，从而降低对界面处单一利用塑性变形去膜的苛求，另一方面界面处的液态钎料可起到润滑的作用，从而可避免纤维排布发生混乱(常常发生在前进侧)，增宽允许使用参数的范围，减小焊合效果的分散性。当采用40～50mm以上大直径无针搅拌工具时，为消除大直径轴肩极易产生严重的肩前飞边，要求肩的前沿应适当露出而处于非完全接触状态，避免肩前飞边的连续累积而最终使纤维裸露出。当采用大直径无针工具时，在焊道表面出现双层表面叠加式表面成形时，应及时清理肩上厚度不一的粘附金属(此时这些厚度不一的粘附金属实际充当了双层肩的工具)。 

以下进一步较为系统地展开介绍实施本发明的工况特点、技术难点、解决方案及本发明的特点： 

必须指明，搭接搅拌摩擦焊所要求的上/下界面间的混合比搅拌摩擦对焊所要求的左/右界面间的混合更难以实现(对接情况下待焊界面垂直于针旋转方向而易于实现左右混合，然而，搭接情况下待焊界面平行于针旋转方向而难于产生竖向塑性流动，使上下界面间难混合)，而“无针”工具更加加剧了上/下搭接界面间混合的难度。基于这些基本考虑，实施本发明所提出的新技术的难点在于：(1)在“无针”情况下，如何实现上下搭接的基体/基体界面间的去膜、密合或混合？(2)如何实现基体/增强体界面间的焊合？(3)在“无针”情况下，假若依赖锻压效应与界面扭转效应(双效应)实现上述界面间的焊合，这样势必会在界面处产生较大的塑性变形，因此会导致纤维分 布均匀性的破坏或纤维的损伤，那么，如何解决改善界面结合与纤维分布之间的这一固有矛盾(除了合理选择参数途径之外)？(4)当为提高效率而采取大直径搅拌头时，如何抑制陡增的飞边而保证过程顺利进行与良好的表面成形？只有回答了这些问题才能保证该技术的顺利实施。为此，本发明在热源、工具设计、表面成形、双效应去膜、提高效率、减小飞边(特别当采用大直径无针工具时)、减小纤维的非均匀性与损伤、改善组织均匀性等诸多方面的构建了如下方案及特点，简述如下： 

(1)在热源方面：选择洁净、集中、高利用率的摩擦热为热源，为节能、快速加热与增加灵活性创造了条件。有必要指出，申请者认为，其他高能量密度热源，如激光束、电子束、等离子束以及电弧这些熔焊用热源是难以用作纤维强化金属基(Al)复合材料热源的，分析认为其原因主要有：薄的金属基体极易被烧穿；处于严重过热的液态金属极易与纤维(包括金属纤维与陶瓷纤维)反应而溶解、损伤、消耗纤维或生成有害的界面相(如脆且易吸潮的Al₄C₃)；焊道成形外观方面也不及摩擦加热美观；因加热区域狭窄使单道熔焊的效率也不及大直径摩擦加热的效率高。 

(2)在搅拌工具的设计选择方面：选择无针搅拌工具，以消除针对纤维网(束)的破坏或损伤；并消除了针拔出后在焊道末端残留的匙孔，这样，既避免了材料的浪费，又改善了外观平整度。 

(3)在加压及改善界面结合方面：从工具方面看，通过适度倾斜安装工具，可强化锻压效应与扭转效应，从而强化了利用塑性变形破 膜的效果以及软化金属围绕纤维的塑性流动效果，有利于促使两类不同的界面，即基体/基体界面与纤维/基体界面间的紧密接触。另一方面，有必要强调指出，从母材方面看，薄的基体为显化锻压效应与扭转效应的效果提供了可能。正是由于制备纤维强化金属基复合材料所用的金属基板片较薄，才可在“无针”情况下，依赖锻压效应与界面扭转效应(双效应)顺利实现上下搭接的基体/基体界面间的去膜、密合与混合。另一方面，快速的集中加热可使界面迅速升至反应所需温度而后又快速冷却，为抑制界面过度反应提供了有利条件，也为简化金属型或非金属型纤维芯材预处理提供了可能。 

(4)在免除保护方面：通过适度倾斜安装工具，强化了锻压效应，防止了空气向肩/基体界面以及焊接界面间的侵袭。 

(5)在改善铝/铝基体界面结合方面：在活用锻压效应与扭转效应破碎膜的基础上，还可通过预置Zn箔带作钎料(Zn与Al无金属间化合物生成)以进一步改善氧化膜的“挤出条件与效果”，从而降低对塑性变形的苛求， 

(6)在防止纤维损伤及排布的不均匀性方面，预置钎料可以可起到润滑的作用，从而可避免纤维排布发生混乱(常常发生在前进侧)及纤维网的损伤，增宽允许使用参数的范围，减小焊合效果的分散性。 

(7)在提高生产效率方面：目前实验已证实通过大直径、高焊速两方面提高生产效率是完全可行的。为提高效率，采用“大直径”无针柱状搅拌摩擦工具是必然之路。对于常用的7.5KW主轴电机，目前实验结果表明，可采用40～50mm大直径无针搅拌摩擦工具(普通搅拌 摩擦焊所用轴肩的直径通常为15～20mm)，单道焊道宽度相应可达40～50mm宽；当电机功率在7.5KW以上时可采用更大直径的无针搅拌摩擦工具施焊，单道效率更高。在焊速方面，对于40mm直径的无针柱状搅拌头，目前实验结果表明，焊速可高达300mm/min(见徐明志2010年6月本科毕业设计论文)。之所以在如此高的焊速下也是可行的原因在于，虽然高焊速使热输入减小，但经实测竖向锻压力发现，轴肩的锻压力却随着焊速增加而增加，因此强化了工具的锻压效应(行进中锻压力测试见卿晶晶2010年6月毕业设计论文；张凯2011年6月硕士学位论文)。 

(8)在减小采用大直径搅拌头工况下的飞边方面：当采用40～50mm以上大直径无针搅拌工具时，突出的问题主要表现为肩前飞边的陡增(这一特征不同于常见20mm小直径搅拌摩擦焊情况)，而且这些肩前飞边会迅速累积以致纤维裸露而迫使制备过程中断。为此，肩的前沿应适当露出而处于非完全接触状态，避免肩前飞边的连续累积而最终使纤维裸露出，以此解决大直径搅拌头易使飞边陡增的难题。其思路是，优化肩端下前部金属的塑性流动方向，即促使其向RS侧流动而防止其向前流动进行不断累积，以致在肩前不断增厚而承载能力加强，最终肩的柱面外周无法对其进行有效的环向剪切与转移。 

(9)在改善采用大直径工具情况下的表面成形方面：采用大直径无针工具时，当焊道表面出现双层表面叠加式表面成形时，此时肩端厚度不一的粘附金属实际使工具形成双层肩，应及时清理肩上厚度不一的粘附金属，以获得单层光滑表面成形。 

(10)在改善界面组织的均匀性方面：为了消除边缘、特别是后退侧(RS)的界面间隙，可在纤维网上侧加入钎料。对于铝基板可加入Zn箔。若钎料加在纤维网下侧，则覆板/钎料界面间的热、力作用效果减弱，无法改善RS侧的致密性。 

附图说明

图1“大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料技术”示意图 

图240mm大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料表明成形图 

图3纤维分布均匀性(背散射-BSE图)及其改进效果(优化焊速；加入Zn钎料) 

图4基体/基体与基体/纤维两类界面致密化观察结果(在300～500倍的放大倍数下界面致密而无空隙；在锻压效应与界面扭转效应的共同作用下，纤维被发生足够塑性流变的基体金属完全包裹) 

图5纤维/基体结合性能测试(抽丝评价)测试结果(对不同转速150、235、300mm/min均能获得一致且重复性好的结果，即纤维本身断裂而并未被抽出，由此表明在很宽的参数范围内也能稳定地获得纤维/基体界面间的良好结合) 

图6纤维/基体结合性能测试(抽丝评价)中载荷-位移曲线：对20mm宽的丝网复合材料试样所得抽丝载荷约为0.5～0.6KN，性能稳定。 

其中图1中：1为无针搅拌摩擦工具；2为第一基体金属板；3为第二基体金属板；4为纤维网。 

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述： 

以下介绍一具体实施例。为节约试验成本，采用的金属基体为市售1.8mm厚纯铝板，采用的增强体——纤维网为市售镀锌钢丝筛网(丝径约150μm)。将铝板剪成160×100×1.8mm的大试样与1000×60×1.8mm的小试样。大试样采用40～50mm大直径多道无针柱状搅拌摩擦工具施焊(受实验室机床功率——7.5KW限制，实施例中选用的大直径为40、50mm两种；而通常搅拌摩擦焊肩的直径多为15～20mm，远小于本发明实施例中所采用的40～50mm大直径)，用以研究大肩高效制备情况下的表面成形影响因素与改进工艺；小直径试样用以研究界面结合性能与组织，以节约实验材料或防止电机过载。大直径情况下工具倾角为1°；小直径情况下工具倾角为3°。所有实验中所用转速均取恒值1500rpm；焊速试验范围为23.5～300mm/min。如图1所示，将大小铝板试样分别对应重叠，并在其中以预置方式加入上述相应尺寸的市售镀锌钢丝筛网，以搭接接头的形式施焊。 

实施效果简介如下： 

(1)高效大直径多道无针搅拌摩擦加工表面成形结果：无疑，大直径工具的采用是提高效率的重要途径，为此首先介绍改进肩/基体接触摩擦工艺后在大直径工具情况下的表面成形结果。为消除大直径情况下肩前飞边陡增导致焊接难以为继，适当减小肩下前端与基板表 明的接触面积而优化肩下前端金属塑性流动方向的技术方案经实验证实是成功的，见图2所示：采用40mm大直径无针柱状工具、2道搅拌摩擦加工所得“镀锌钢丝纤维增强铝板”复合材料表面成形呈现焊道光滑、无匙孔、飞边极小的理想效果。可喜的是，这种改进后的理想的表面成形效果为采用大直径无针柱状搅拌头来提高生产效率提供了可能。对实验室用7.5KW主轴电机，目前的实验水平已达到：最高焊速可达300mm/min；最大肩直径为50mm(直径还有在下阶段实验中进一步增大的潜力)。 

(2)纤维分布均匀性及其改善 

对复合材料的组织评价通常关注两个重要方面：一是增强体分布的均匀性；二是增强体与基体界面的结合性，其中增强体/基体界面的致密性应是首要要求，否则难以在基体与增强体之间实现载荷传递。在此，在观察增强体分布均匀性时，考虑到横截面照片不利于观察评价横向纤维的分布而对观察纵向纤维的分布却十分方便，故主要以纵向纤维丝为研究重点，考察纵向纤维丝分布的均匀性及其影响因素的合理调控。 

●改善纤维分布均匀性措施之一：合理选规范以求取热-力作用效果与纤维分布的平衡 

对比图3a与图3c可知，焊速会影响界面处纵向纤维的均匀分布。由图3a可看到，焊速过小(23.5mm/min)时，虽然纵向纤维分布的均匀性在中心区及后退侧(指工具旋转方向与焊接方向相反的一侧，英 文为Retreating Side，图中缩写为RS)仍能被很好地保持，但是纵向纤维分布的均匀性在前进侧(指工具旋转方向与焊接方向一致的一侧，英文为Advancing Side，图中缩写为AS)被破坏。该结果这表明：(1)即使采用无针工具，轴肩的“界面扭转效应”也是可以明显观察到的，而界面扭转效应的存在十分有利于基体破膜与各种界面间的紧密接触，为实现基体/基体与基体/纤维界面间的致密化提供了可能。另外，顺便指出，撕裂试样的断口可发现网格已发生较为一致的扭曲，表明界面扭转效应对于界面密合应是有效而不可忽视的。(2)焊速过低使界面扭转变形的累积效果过强，特别是AS侧纵向纤维的位移累积过度，以致破坏了纤维分布的均匀性。然而，由图3c可看到，适当增大焊速至150mm/min，纤维分布的均匀性沿整个界面都能得到良好保证，这缘于此焊速下在界面变形与纤维分布之间能取得较好的平衡。 

●改善纤维分布均匀性措施之二：加入钎料 

对比图3a与图3b可知，即使对于低焊速(23.5mm/min)的工况，在纤维网的上侧加入Zn箔作钎料，可有效消除AS侧纤维分布不均匀的现象。可见，在防止纤维损伤及排布的不均匀性方面，预置钎料可以利用液态金属的“润滑”作用，从而可避免纤维排布发生混乱(常常发生在前进侧)及纤维网的损伤，增宽允许使用参数的范围，减小焊合效果的分散性。 

需要指出的是，试验证实，若钎料加在纤维网下侧，则覆板/钎料界面间的热、力作用效果减弱，钎料的熔化、流动等收到一定不利 影响(见卿晶晶2010年6月毕业设计论文)。 

(3)基体/基体及纤维/基体两类界面之间的致密性及其改善 

●利用轴肩的锻压效应与扭转效应实现界面间的密合 

图4为基体/基体与基体/纤维两类界面致密化观察结果。从图4a还可看出，在中心有效焊合区，即使是屈服强度高的纵向纤维已产生一定塑性变形而趋椭圆状，这表明锻压效应的作用效果足够有效；同时，不难推测，该变形纤维上下的软基体必然也发生了显著的塑性流变。而从图4b还可以看出，即使在纵向纤维与横向纤维相交的节点处，两者之间的间隙也已被塑性流变金属有效填充，发生了围绕纵向纤维的包裹性塑性流动，这也表明了锻压效应的存在及其有利且显著的作用效果。 

可见，在300～500倍的放大倍数下，本发明采用无针柱状工具，利用肩的锻压与扭转效应(双效应)所产生的塑性变形梯度场，既可破碎金属基体表面的氧化膜，又可使发热而软化的金属基体发生围绕纤维的塑性流动而包裹纤维，从而同时实现纤维/基体与基体/基体界面间的致密复合。当放大倍数调高至数千倍时，可在基体/纤维界面局部观察到约数微米的金属间化合物层(图略)，表明该方法在顺利实现基体/纤维界面的致密化同时，又能有效防止界面金属间化合物过度增厚。 

●加入钎料改善RS侧界面致密性，增大致密化总面积 

对比图3c与图3d可看出，在纤维上侧加Zn箔钎料后，RS边缘 间隙接近消除(焊速150mm/min)，AS侧纤维排列也整齐。可见，加入钎料可改善RS侧界面致密性，增大致密化总面积。 

(3)纤维/基体界面结合性能测试 

采用抽丝的方法评价了纤维/基体界面间的结合性能。在测试区(宽20mm，长约30mm)与夹持区(此区夹有纤维以使测试情况下的温度场逼近实际施焊情况下的温度场)设置了无纤维区(防止夹具夹住纤维以确保仅由界面承担外加抽丝载荷)。图5为对所得复合材料板材进行抽丝评价后纤维断裂状况扫描图，由此可见，对不同转速150、235、300mm/min(转速均为1500rpm)均能获得一致且重复性好的结果，即纤维本身发生断裂但并未被抽出，由此表明在很宽的参数范围内也能稳定地获得纤维/基体界面间的良好结合。图6为抽丝测试中实测的载荷-位移曲线，可见，对20mm宽的丝网复合材料试样所得抽丝载荷约为0.5～0.6KN，性能稳定。 

综上所述，通过上述实施例的介绍，本发明提出的“大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料技术”的可行性及其难点问题的解决思路得到实证。该新技术的优点可概述如下：以洁净、集中的摩擦热为热源，可在大气环境下施焊，不使用任何保护气体或钎剂；通过轴肩的旋转与倾斜获得界面扭转效应与锻压效应，并利用金属基体较薄的有利条件，促使基体软化并流动；可采用无针大直径(40～50mm)、高焊速(300mm/min)高效地施焊，通过调控肩端与基体的接触状态而优化表明金属层的塑性流动(严格限制轴肩柱状外周与肩前基体间的摩擦)，使大肩情况下飞边显著减小、焊道表面成 形光滑、无匙孔；界面致密，同时快速加热/冷却防止了界面反应相过厚；纤维分布均匀，且纤维/基体界面结合牢固而使纤维难以被拔出；节能(加热集中而使能量利用率高)环保(无烟尘与飞溅)；采用类似机加工的方法施焊而使其灵活性变强，极为利于纤维增强金属基复合材料的低成本制备及普及。 

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。 

Claims (5)

1.大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料的方法，其特征在于：

首先预打磨清洗第一基体金属板和第二基体金属板；其次在第一基体金属板和第二基体金属板间以预置方式夹入经预处理的纤维网或单向纤维束，使一基体金属板和第二基体金属板完全覆盖并足以保护纤维网；在第一基体金属板上表面倾斜安装无针搅拌摩擦工具，启动无针搅拌摩擦工具在第一基体金属板表面旋转摩擦并移动，实现纤维与其两侧的第一基体金属板和第二基体金属板间的致密复合以及第一基体金属板和第二基体金属板间的致密焊合。

2.如权利要求1所述大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料的方法，其特征在于：所述无针搅拌摩擦工具在第一基体金属板表面旋转摩擦并移动，利用肩的锻压效应与扭转效应所产生的塑性变形梯度场，破碎金属基体界面的氧化膜，并使经摩擦而发热软化的金属基体发生围绕纤维丝的塑性流动而包裹纤维丝，实现纤维与其两侧的第一基体金属板和第二基体金属板间的致密复合以及第一基体金属板和第二基体金属板间的致密焊合。

3.如权利要求1所述大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料的方法，其特征在于：所述无针搅拌摩擦工具为40～50mm大直径无针搅拌头，在肩端前沿适当露出的条件下进行多道多层搅拌摩擦加工，制得宽而厚的纤维强化金属基复合材料板材。

4.如权利要求1所述大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料的方法，其特征在于：当过度依赖塑性变形去膜而造成对纤维网的损伤、或造成纤维分布的不均匀，须在两金属板片间预置能与基体板片发生共晶反应的钎料。

5.如权利要求1所述大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料的方法，其特征在于：为缩小焊道边缘处存在界面间隙的范围，在两金属板片间预置能与基体发生共晶反应的钎料或能与纤维反应的活性钎料，用液相填充焊道边缘的界面间隙。

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