CN103131981B - 一种实现材料表面超细晶/纳米化的超声辅助半固态搅拌摩擦加工方法 - Google Patents
一种实现材料表面超细晶/纳米化的超声辅助半固态搅拌摩擦加工方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种实现材料表面超细晶/纳米化的超声辅助半固态搅拌摩擦加工方法，将板材水平放置在工作台上并用夹具装夹好；搅拌工具的搅拌针扎入板材表面，搅拌工具的固定轴肩不旋转，超声换能器的超声波通过搅拌工具的固定轴肩传递放大；搅拌针扎入速度为1～5mm/分，直到固定轴肩的端面与板材上表面接触后，沿垂直板材表面的方向继续下压0.1～0.3mm以便于超声波传递给板材的待加工部分；当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转1～8分钟，进行材料预热，然后搅拌工具沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动，直到整个板材表面加工完毕为止。本发明可实现铝合金、镁合金等板材表面改性，使得材料晶粒尺寸达到亚微米级或纳米级的细晶粒，大大提高了材料表面的性能。
Description
技术领域：本发明涉及一种材料的表面处理方法，尤其涉及一种实现材料表面超细晶/纳米化的超声辅助半固态搅拌摩擦加工方法，属于材料科学技术领域。
背景技术：把纳米技术与表面改性技术相结合，实现材料的表面纳米化，将是一个非常有潜力的领域。在2000年的国际纳米材料大会的总结报告上，它就被认为是最有可能在结构材料上获得突破的纳米技术之一。表面机械加工处理法是常用的表面纳米化方法之一。只要材料能产生强度的塑性变形（SPD），即具有实现纳米化的潜力，比如表面机械研磨处理（SMAT）、超声喷丸（USP）、高能喷丸、激光冲击等等。搅拌摩擦加工（Friction stir processing,FSP）是美国密苏里大学的Mishra博士基于搅拌摩擦焊（Friction stirwelding,FSW）的原理提出来的一种用于材料微观组织改性和制造的方法。其原理是利用搅拌工具所造成加工区材料的剧烈塑性变形、混合、破碎和热暴露，实现微观结构的致密化、均匀化和细化。采用该技术制备晶粒尺寸为亚微米级或纳米级的细晶铝合金、镁合金等，其强度和塑性都得到很大提高。目前，FSP已在金属微观组织细化、超塑性材料制备、表面复合材料以及纳米相增强金属基复合材料等方面取得了应用。为了进一步细化晶粒，复合搅拌摩擦工艺逐渐成为研究热点，比如多道次FSP，水浸FSP等。
发明内容：为了使铝合金、镁合金等低熔点合金材料实现表面超细晶/纳米化，提出基于超声辅助的半固态搅拌摩擦加工方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种实现材料表面超细晶/纳米化的超声辅助半固态搅拌摩擦加工方法，具体采用以下步骤：
步骤一、将板材水平放置在工作台上并用夹具装夹好；
步骤二、搅拌工具的搅拌针以500～7000转/分的转速扎入板材表面，搅拌工具的固定轴肩不旋转，超声换能器的超声波并通过搅拌工具的固定轴肩传递放大，超声波的参数如下:频率为30～60K以及振幅为20～60μm；搅拌针扎入速度为1～5mm/分，直到固定轴肩的端面与板材上表面接触后，沿垂直板材表面的方向继续下压0.1～0.3mm以便于超声波传递给板材的待加工部分。
步骤三、当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转1～8分钟，进行材料预热，然后搅拌工具以50～1000mm/分的速度沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动，直到整个板材表面加工完毕为止。
所述的搅拌工具由固定轴肩、超声换能器与搅拌针组成，固定轴肩固定并套装在搅拌针上，固定轴肩上端直接与超声换能器相连接，其下端面与待加工板材表面紧密贴合，避免出现表面出现严重的弧纹痕迹以及较大的表面凹陷。所述的搅拌针带有锥形螺纹，自身最大直径大于1.5倍待加工板材厚度、锥角小于5°、长度略短（可根据实际情况进行调整），这样可增加与待加工板材相互摩擦的接触面，有利于提高待加工部分的温度。
本发明的有益效果：
一、在加工过程中，被加工材料达到半固态，是一种半固态搅拌摩擦加工方法，与常规搅拌摩擦加工方法不同。为使材料达到半固态，搅拌针需高速旋转，使具有更小粘度的半固态材料经历更大的应变以及应变速率，以利于晶粒细化。
二、在加工过程中，搅拌针高速旋转产生热量，在固定轴肩面向出现液化成份的半固态材料表面施加超声波振动，利用超声波在半固态材料中传播时产生的声空化效应细化晶粒；
三、在加工过程中，尽管组成搅拌加工工具的固定轴肩会造成材料的减薄，但减薄程度小于常规搅拌摩擦加工工艺；
四、在加工过程中固定轴肩不旋转，因此不会产生弧纹等结构，使加工后的材料后处理工作简单。
附图说明：
图1是搅拌工具的结构示意图。
图2是本发明的加工过程示意图。
图3是搅拌摩擦加工过程搅拌工具与板材的位置关系示意图。
具体实施例：
如图1所示：搅拌工具4由搅拌针1、固定轴肩2组成，超声换能器3与固定轴肩2的上端面紧密贴合，此处的固定轴肩2充当超声换能器3的变幅杆，将超声波放大并传递到待加工部分；固定轴肩2套装在搅拌针1上，其中搅拌针1的直径较大，可增加与待加板材相互摩擦的接触面，进而提高了待加工部分的温度热量，便于材料半固态现象的出现。
如图2所示：材料表面超细晶/纳米化的超声辅助半固态搅拌摩擦加工过程示意图。
如图3所示：是搅拌摩擦加工过程搅拌工具与板材5的位置关系示意图（固定轴肩2的端面与板材5上表面接触后，沿垂直板材5表面的方向继续下压0.1～0.3mm以便于超声波传递给板材的待加工部分；搅拌针1的扎入深度为H，板材厚度为T，H小于T）。
实施例一
一种实现材料表面超细晶/纳米化的超声辅助半固态搅拌摩擦加工方法，具体采用以下步骤：
步骤一、将板材5水平放置在工作台上并用夹具装夹好；
步骤二、搅拌工具4的搅拌针1以500～7000转/分的转速ω扎入板材5表面；搅拌工具4的固定轴肩2不动且固定轴直径大于1.5倍的待加工板材厚度T，开启超声源设备，超声换能器3的超声波（图2中的双向箭头）通过搅拌工具4的固定轴肩2放大传递给板材的待加工部位，超声波的参数如下:频率为30～60K以及振幅为20～60μm；搅拌工具4扎入速度为1～5mm/分，直到固定轴肩2的端面与板材5上表面接触后，沿垂直板材5表面的方向继续下压0.1～0.3mm以便于超声波传递给板材的待加工部分。
步骤三、当搅拌工具4达到设定的下扎深度时，搅拌针1停止下扎且继续旋转1～8分钟，进行材料预热；搅拌工具4以50～1000mm/分的速度沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动，直到整个板材表面加工完毕为止。
实施例二：
本实施例在步骤二中，所述的搅拌针的旋转速度为3000～7000转/分。可根据待加工板材加工过程中温度的具体情况来选择搅拌针的旋转速度，使材料达到半固态。其它步骤与实施例一相同。
实施例三：本实施例在步骤二中，所述的超声波频率为40K～60K。可根据待加工板材的具体情况来选择超声波的频率，使加工及其附近区域的晶粒得到充分细化。其它步骤与实施例一相同。
实施例四：本实施例在步骤三中，所述的搅拌工具4以50～200mm/min的速度沿着水平方向移动。可根据待加工板材加工过程中的温度的具体情况来选择搅拌工具的移动速度，使材料达到半固态。其它步骤与实施例一相同。
实施例五：本实施例在步骤三中，所述的当搅拌工具4达到设定的下扎深度时，搅拌针1停止下扎且继续旋转4～8分钟。可根据待加工板材加工过程中的温度的具体情况来选择搅拌针的继续旋转时间，使板材得到充分的预热，使材料更容易达到半固态。其它步骤与实施例四相同。
Claims (5)
1.一种实现材料表面超细晶/纳米化的超声辅助半固态搅拌摩擦加工方法，具体采用以下步骤：
步骤一、将板材水平放置在工作台上并用夹具装夹好；
步骤二、搅拌工具的搅拌针以3000～7000转/分的转速扎入板材表面，搅拌工具的固定轴肩不旋转，超声换能器的超声波通过搅拌工具的固定轴肩传递放大，超声波的参数如下:频率为30～60K以及振幅为20～60μm，搅拌针扎入速度为1～5mm/分，直到固定轴肩的端面与板材上表面接触后，沿垂直板材表面的方向继续下压0.1～0.3mm以便于超声波传递给板材的待加工部分；
步骤三、当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转1～8分钟，进行材料预热，然后搅拌工具以50～200mm/分的速度沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动，直到整个板材表面加工完毕为止。
2.如权利要求1所述的一种实现材料表面超细晶/纳米化的超声辅助半固态搅拌摩擦加工方法，其特征在于：所述的搅拌工具由固定轴肩、超声换能器与搅拌针组成，固定轴肩固定并套装在搅拌针上，固定轴肩上端直接与超声换能器相连接，其下端面与待加工板材表面紧密贴合且扎入材料表面的深度为0.1～0.3mm。
3.如权利要求2所述的一种实现材料表面超细晶/纳米化的超声辅助半固态搅拌摩擦加工方法，其特征在于：所述的搅拌针带有锥形螺纹，自身最大直径大于1.5倍待加工板材厚度、锥角小于5°。
4.如权利要求1所述的一种实现材料表面超细晶/纳米化的超声辅助半固态搅拌摩擦加工方法，其特征在于：步骤二中，所述的超声波频率为40K～60K。
5.如权利要求1所述的一种实现材料表面超细晶/纳米化的超声辅助半固态搅拌摩擦加工方法，其特征在于：步骤三中，所述的当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转4～8分钟。
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