CN105463451A - 一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，将铸态高速工具钢W18Cr4V采用自由锻+模锻锻造技术加工成所需凹型轴肩和锥形搅拌针形貌搅拌头，在搅拌头轴肩和搅拌针基体表面预置镍基陶瓷复合合金粉末，采用激光熔敷技术将轴肩和搅拌针基体表层与预置在其上的镍基陶瓷复合合金粉末一起加热熔化并迅速冷凝制备环形和螺旋形耐磨耐高温涂层，本发明工艺简单，生产成本低廉，该搅拌头轴肩和搅拌针力学结构合理，在其表面制备的涂层结合强度高，可有效提高搅拌头的使用寿命，使搅拌头具有优越的耐磨耐高温性能。

Description

一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法
技术领域
本发明涉及熔敷涂层的技术领域，特别涉及一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding，简称FSW)是英国焊接研究所(TheWeldingInstitute，简称TWI)于1991年研究发明的一种先进的固相连接技术。通过搅拌针和轴肩与工件间的摩擦热，在搅拌针的附近形成塑性软化层，软化层在搅拌头高速旋转的作用下填充入搅拌针后方所形成的空腔内，从而实现可靠的连接。它具有焊接接头强度高、焊接工件变形小、不易产生有害相等优点。目前，被焊材料已从铝合金逐渐扩展到镁合金、铅合金、铜合金、钢、钛合金以及复合材料等。
搅拌头由夹持部分、轴肩和搅拌针组成，搅拌摩擦焊接过程中受损部位主要是轴肩和搅拌针。搅拌头材料和结构设计是搅拌摩擦焊技术的核心，是决定搅拌摩擦焊技术能否扩大待焊材料的种类以及能否提高待焊材料板厚范围的关键。搅拌摩擦焊的实质是搅拌头与被焊材料之间发生热-机械作用并形成接头，在此过程中搅拌头直接承受焊接过程的热载、力载及摩擦磨损，因而要求它在焊接条件下具有高于被焊材料的熔点、强度、硬度和韧性，应由具有良好耐磨损和耐高温热稳定性材料制成，并具有特定力学特征的几何形貌和尺寸，以获得较长使用寿命的搅拌头及高质量的焊接接头。在焊接铝、镁、铅等低熔点材料时，搅拌头采用工具钢、不锈钢即可满足使用要求，但对于钢、铜、钛等高熔点材料来讲，焊接时最高温度在1000℃以上，在如此高的温度下能满足使用要求的搅拌头材料往往是难熔金属合金或者结构陶瓷。
目前，国内外高熔点搅拌头材料主要有纯钨(CPW)、多晶立方氮化硼(PCBN)、钨基合金(钨-铼W-Re、钨镧W-1％La)等。为了能降低成本，研究者尝试采用工具钢、硬质合金、金属陶瓷等作为高熔点材料搅拌摩擦焊用搅拌头材料。以上材料中工具钢的综合性能比较好，但最高工作温度达不到钛合金的焊接温度；而工作温度比较高的硬质合金、金属陶瓷等材料，搅拌头的可加工性相对较差。另外，采用单一金属材料制造的搅拌头很难同时满足对耐磨损性和高温热稳定性的要求，并且金属材料的耐磨性是非常有限的，搅拌头轴肩和搅拌针的磨损必将使机械力和摩擦热发生变化，影响后续焊接接头的可靠性和稳定性。因此，急需找到一种有效方法来提高搅拌摩擦焊用搅拌头的耐磨损性和耐高温热稳定性。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，工艺简单，生产成本低廉，焊接效率高，可以有效提高搅拌头的使用寿命，使搅拌头具有优越的耐磨损性能与耐高温热稳定性能。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，包括以下步骤：
(1)加工制造搅拌头基体：
将铸态高速工具钢W18Cr4V采用自由锻+模锻锻造技术加工成所需的毛坯搅拌头，毛坯搅拌头包括夹持部分1、凹型轴肩2和锥形搅拌针4，夹持部分1与凹型轴肩2圆弧过度，凹型轴肩2与锥形搅拌针4为圆弧过度，锻造后的毛坯搅拌头立即放入白灰箱缓冷，缓冷至室温后进行等温退火，随后采用磨削加工去除锻造氧化皮并修整夹持部分1、凹型轴肩2和锥形搅拌针4，再采用淬火+三次回火热处理工艺获得搅拌头基体。
所述的自由锻+模锻是将铸态高速钢先经过自由锻方式反复镦粗和拔长，再经过模锻方式成形。
所述的等温退火是将搅拌头基体加热至850-870℃，保温3-4h后采用10-20℃/h的速度冷却至500℃以下出炉，或冷却至740-760℃，保温4-6h后，再冷却至600℃以下出炉。
(2)配制耐磨耐高温涂层粉末：
耐磨耐高温涂层粉末的原料包括：WC陶瓷增强相粉末、稀土氧化物La2O3、γ′相生成元素Al、Ti粉末、稳定γ′相元素Nb粉末以及镍基自熔性合金粉末Ni60，按重量百分比依次为：(20～25)％WC、(0.8～1.2)％La2O3、(3.2～3.7)％Al、(3.0～3.5)％Ti、(0.6～1.0)％Nb，余量为Ni60，上述粉末粒度为：-100～+300目；稀土氧化物La2O3纯度为99.99％；镍基自熔性合金Ni60，其组分的质量百分含量为碳1.6～1.85％，硅4.0～4.7％，硼2.9～3.1％，铁3.3～3.5％，铬15.6～15.9％，余量为Ni；将上述按比例配置好的原料粉末置于密封容器中，放入混料机中机械混合1～3h使之均匀，再对混合好的粉末用干燥箱160℃下干燥2h。
(3)搅拌头基体表面预置耐磨耐高温涂层粉末。
将步骤2按一定比例配制混合好的镍基陶瓷复合合金原料粉末采用预置粉末的方法预置到搅拌头凹型轴肩2和锥形搅拌针4基体表面，使预置粉末层厚度为0.8～2.0mm。
所述预置粉末方法步骤为：
一、将质量浓度5％的PVA粘结剂加入混合均匀的粉末搅拌调成糊状态，两者质量比为1:2；
二、将糊状态预置粉末放入烘箱50℃保温20min；
三、将充分稀释的糊状预置粉末均匀涂覆在凹型轴肩2和锥形搅拌针4基体表面；
四、采用与凹型轴肩2和锥形搅拌针4形状一致的模具压平预置粉末层；
五、将预置粉末层自然干燥后再放入烘箱45℃烘干3.5～4h待用。
(4)耐磨耐高温涂层制备：
采用半导体激光器使预置在凹型轴肩2和锥形搅拌针4表面的镍基陶瓷复合合金粉末与基体表面层同时熔化，快速凝固后形成与基体成冶金结合的耐磨耐高温涂层；凹型轴肩2表面涂层形状为环形3，锥形搅拌针4表面涂层形状为螺旋形5。
所述凹型轴肩2表面涂层形状为环形3，其具体工艺为：采用激光器熔敷凹型轴肩2表面预置的镍基陶瓷复合合金粉末获得涂层，涂层为由轴肩外圆到轴心厚度逐渐减薄的三个环形同心圆耐磨耐高温涂层，环形宽度2～2.5mm，环形涂层厚度由最外层1～1.5mm逐渐减薄到最内层0.5～0.8mm。
锥形搅拌针4表面涂层形状为螺旋形5，其具体工艺为：采用激光器熔敷锥形搅拌针4表面预置的镍基陶瓷复合合金粉末获得螺旋形涂层5，锥形搅拌针4锥度为1:1.5；螺旋形涂层5螺旋升角为：60～75°；螺旋形涂层5宽度2～2.5mm；螺旋形涂层厚度0.5～0.8mm；螺旋形涂层为左旋，断面为圆弧形。
所述耐磨耐高温涂层粉末的原料，采用激光熔敷制备成耐磨耐高温涂层，其主要相组成包括：γ-Ni、FeNi3、W2C、Cr23C6、Cr7C3、Ni3(Al，Ti)型γ′相及TiO2。
本发明可用于其它零部件耐磨耐高温性能的提高和改善，也可用于耐磨耐高温零部件表面的修复与强化，使其具有优越的耐磨耐高温性能。
附图说明
图1是搅拌头凹型轴肩和锥形搅拌针表面耐磨耐高温涂层结构示意图。
图2是搅拌头凹型轴肩表面环形耐磨耐高温涂层示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细叙述。
一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，包括以下步骤：
(1)加工制造搅拌头基体：
将铸态高速工具钢W18Cr4V采用自由锻+模锻锻造技术加工成所需的毛坯搅拌头，毛坯搅拌头包括夹持部分1、凹型轴肩2和锥形搅拌针4，夹持部分1与凹型轴肩2圆弧过度，凹型轴肩2与锥形搅拌针4为圆弧过度，锻造后的毛坯搅拌头立即放入白灰箱缓冷，缓冷至室温后进行等温退火，随后采用磨削加工去除锻造氧化皮并修整夹持部分1、凹型轴肩2和锥形搅拌针4，再采用淬火+三次回火热处理工艺获得搅拌头基体。添加微合金的铸态高速工具钢通过锻造+热处理加工制备的搅拌头基体，具有较高的硬度、强度以及较好的耐磨性和热塑性。因此，加工制备的搅拌头基体即可保持夹持部分的刚性，又可保持凹型轴肩2和锥形搅拌针4较好的耐磨性和耐高温性能，但经过热处理加工制造的W18Cr4V高速工具钢搅拌头耐磨耐高温稳定性能还不足以满足搅拌头焊接高熔点材料所具备的优越性能，需进一步采用激光熔敷技术在搅拌头凹型轴肩2和锥形搅拌针4基体表面制备优越的耐磨耐高温涂层。
所述的自由锻+模锻是将铸态高速钢先经过自由锻方式反复镦粗和拔长，再经过模锻方式成形的锻造方法。其目的是将铸态高速钢中晶粒粗大、不均匀的碳化物在外力作用下破碎，使其晶粒细化并变得均匀，淬火热处理时，破碎的碳化物才能较容易的溶解，奥氏体的合金化程度才会越高，淬火钢的热硬性和回火稳定性也会越好，加工制备的高速工具钢搅拌头基体的综合性能就越好。
所述的等温退火是将搅拌头基体加热至850-870℃，保温3-4h后采用10-20℃/h的速度冷却至500℃以下出炉，或冷却至740-760℃，保温4-6h后，再冷却至600℃以下出炉，等温退火的目的是消除锻造应力，降低硬度，利于磨削加工，并为淬火做好组织准备。
(2)配制耐磨耐高温涂层粉末：
耐磨耐高温涂层粉末的原料包括：WC陶瓷增强相粉末、稀土氧化物La2O3、γ′相生成元素Al、Ti粉末、稳定γ′相元素Nb粉末以及镍基自熔性合金粉末Ni60，按重量百分比依次为：(20～25)％WC、(0.8～1.2)％La2O3、(3.2～3.7)％Al、(3.0～3.5)％Ti、(0.6～1.0)％Nb，余量为Ni60，上述粉末粒度为：-100～+300目；稀土氧化物La2O3纯度为99.99％；镍基自熔性合金Ni60，其组分的质量百分含量为碳1.6～1.85％，硅4.0～4.7％，硼2.9～3.1％，铁3.3～3.5％，铬15.6～15.9％，余量为Ni；将上述按比例配置好的原料粉末置于密封容器中，放入混料机中机械混合1～3h使之均匀，再对混合好的粉末用干燥箱160℃下干燥2h。
(3)搅拌头基体表面预置耐磨耐高温涂层粉末。
将步骤2按一定比例配制混合好的镍基陶瓷复合合金原料粉末采用预置粉末的方法预置到搅拌头凹型轴肩2和锥形搅拌针4基体表面，使预置粉末层厚度约为0.8～2.0mm。本填料方式经济，工艺简单，操作灵活方便，适用于小面积制备涂层。
所述预置粉末方法步骤为：
一、将质量浓度5％的PVA粘结剂加入混合均匀的粉末搅拌调成糊状态，两者质量比为1:2；由于设计配置好的粉末干燥后流动性较好，预置前需将粉末与粘结剂混合；
二、将糊状态预置粉末放入烘箱50℃保温20min，此目的为了使粘结剂充分稀释原料粉末；
三、将充分稀释的糊状预置粉末均匀涂覆在凹型轴肩2和锥形搅拌针4基体表面；
四、为保证涂覆的预置粉末层平整，厚度均匀，采用与凹型轴肩2和锥形搅拌针4形状一致的模具压平预置粉末层；
五、将预置粉末层自然干燥后再放入烘箱45℃烘干3.5～4h待用。
(4)耐磨耐高温涂层制备：
采用半导体激光器使预置在凹型轴肩2和锥形搅拌针4表面的镍基陶瓷复合合金粉末与基体表面层同时熔化，快速凝固后形成与基体成冶金结合的耐磨耐高温涂层；凹型轴肩2表面涂层形状为环形3，锥形搅拌针4表面涂层形状为螺旋形5。制备的具有特殊力学结构特征的耐磨耐高温涂层与具有较好使用性能的搅拌头基体冶金结合，获得了使用寿命长、生产成本低、焊接效率高，综合性能优越的搅拌头。
参照图1和图2，所述凹型轴肩2表面涂层形状为环形3，其具体工艺为:采用激光器熔敷凹型轴肩2表面预置的镍基陶瓷复合合金粉末获得涂层，涂层为由轴肩外圆到轴心厚度逐渐减薄的三个环形同心圆耐磨耐高温涂层，环形宽度2～2.5mm，环形涂层厚度由最外层1～1.5mm逐渐减薄到最内层0.5～0.8mm。此设计形式作用：一是，提供了一个封闭的的焊接环境，阻止焊接材料软化后从轴肩溢出；二是，有利于将轴肩端部下方形成的软化材料收集到轴肩端面的中心以填充搅拌针后方所形成的空腔；三是，有利于软化材料的流动，减少轴肩旋转时的阻力；四是，可减少焊接过程中搅拌头内部的应力集中而保护搅拌针。
参照图1，锥形搅拌针4表面涂层形状为螺旋形5，其具体工艺为采用激光器熔敷锥形搅拌针4表面预置的镍基陶瓷复合合金粉末获得螺旋形涂层5，锥形搅拌针4锥度为1:1.5；螺旋形涂层5螺旋升角为：60～75°；螺旋形涂层5宽度2～2.5mm；螺旋形涂层厚度0.5～0.8mm；螺旋形涂层为左旋，断面为圆弧形。此设计目的：一是，锥形搅拌针4使搅拌针受力面积增大，下压力大于柱形搅拌针，由于其摩擦面积比柱形搅拌针大而产热增多，比柱形搅拌针焊缝区平滑，前进侧和返回侧较对称。另外，锥形搅拌针4由小面到大面，力矩增大，增加了搅拌针的强度，同时也减少了焊件厚度方向上的温度差，进而减少了搅拌头的磨损；二是，左旋螺旋形涂层服役时剪切力大，有利于改善搅拌头附近的塑性软化材料的流动路径，从而促进塑性软化材料具有向下运动的趋势，随着搅拌头的移动，高度塑性变形的材料流向搅拌头的背后，大大减小了搅拌头的阻力，提高了焊接效率。
所述耐磨耐高温涂层粉末的原料，采用激光熔敷制备成耐磨耐高温涂层，其主要相组成包括：γ-Ni、FeNi3、W2C、Cr23C6、Cr7C3、Ni3(Al，Ti)型γ′相及TiO2。
所述耐磨耐高温涂层粉末的原料，采用激光熔敷制备成耐磨耐高温涂层，其主要相组成包括：γ-Ni、FeNi3、W2C、Cr23C6、Cr7C3、Ni3(Al，Ti)型γ′相及TiO2。
所述的激光熔敷技术是在高功率密度的激光束作用下，将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热熔化，光束移开后自激冷却，获得一层均匀致密、结合牢固，而且稀释率低的特殊保护涂层的一种表面强化方法。激光熔敷的熔化主要发生在外加材料中，基材表面微熔的目的是使之与熔敷合金达到冶金结合，以增强熔覆层与基材的结合力，并防止基材元素与熔覆层元素的互扩散而改变熔覆层的成分和性能。激光熔覆的特点有：(1)冷却速度快(高达10℃/s)，组织细小；(2)热输入和畸变较小，涂层稀释率低；(3)粉末与基体呈冶金结合；(4)粉末选择范围广；(5)能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；(6)光束瞄准可以使难以接近的区域熔覆；(7)工艺过程易于实现自动化。
所述激光熔敷所用激光器为5KWCO2激光器，工艺参数：功率1.5～2.5KW，光斑直径2～4mm，扫描速度600～1000mm/min，保护气氛为氩气，气体流量15～20L/min。
所述镍基陶瓷复合合金粉末中WC陶瓷增强相颗粒在激光熔敷时，由于激光熔覆过程是一个高能量密度的加工过程，部分WC陶瓷增强相颗粒熔化分解成W原子和C原子，在液相熔池中形成W和C原子富集区，在成分起伏和能量起伏同时，形成晶核并长大，生成了二次硬质相W2C；同时，激光熔敷时，Ni60粉末中的Cr元素，在液相熔池中由于富集的Cr元素是强碳化合物形成元素，可与碳形成大量的硬质相Cr23C6、Cr7C3等共晶化合物，硬质相的大量存在，均匀弥散的分布在熔覆层中，形成了“硬质骨架”，加上激光熔覆的固溶强化作用，涂层的硬度和耐磨性能大幅度提高。
所述镍基陶瓷复合合金粉末中WC陶瓷增强相颗粒熔化分解的W是耐磨耐高温涂层的固溶强化元素，能减慢Al、Ti和Cr的高温扩散速度，并增加扩散激活能，加强固溶体中原子间结合力，并能显著增加镍基陶瓷复合合金中的γ′相的稳定温度，即提高γ′相的溶解温度，由于W降低了Al、Ti在涂层中的溶解度，故增加了γ′的数量，从而提高了涂层使用温度。
所述镍基自熔合金粉末Ni60中的Cr元素在镍基陶瓷复合合金中增加抗氧化和耐蚀能力，激光熔敷时，涂层表面会生成抗氧化和热腐蚀的保护层Cr2O3，Cr2O3是高温热力学唯一稳定的氧化物，但当环境温度上升到1000℃左右时，Cr2O3与氧会进一步发生反应生成易挥发的CrO3，失去了对基体的保护作用。但由于涂层表面生成的不规则所述TiO2与基体间具有很强的结合力，将Cr2O3氧化层牢牢的固定在基体上，减缓了氧化层的脱落，使搅拌头具有高温稳定性。
所述镍基陶瓷复合合金粉末中的Nb元素属于高熔点合金化元素，起到增强γ′相高温稳定性的作用。
所述Ni3(Al，Ti)型γ′相是沉淀强化型高温合金，γ′相越多，涂层高温性能越好。
所述镍基陶瓷复合合金粉末中的稀土氧化物La2O3具有表面活化和球化作用，在金属液中可形成高熔点的化合物，与熔渣一起排出，净化夹杂物，阻止了裂纹的产生；同时，作为异质形核的核心，导致形核率增大，限制枝晶生长，显微组织细化，熔敷层的显微硬度明显提高。另外，由于稀土的润湿作用，提高了熔敷层的耐磨性能，降低了熔敷层的剥落倾向，且稀土的细晶强化作用，使第二相硬质点均匀的弥散分布，提高了熔敷层的致密化程度，也降低了熔敷层的剥落倾向。
实施例一
按照本发明的方法，在加工制造的搅拌头凹型轴肩和锥形搅拌针基体上制备耐磨耐高温涂层，耐磨耐高温涂层原料粉末重量百分比为25％WC+1％La2O3+3.0％Al+3.5％Ti+0.8％Nb，余量为Ni60，其粉末粒度为：-100～+200目；La2O3稀土氧化物纯度为99.99％；镍基自熔性合金Ni60，其组分的质量百分含量为碳1.7％，硅4.5％，硼3％，铁3.5％，铬15％，余量为Ni；填料方式采用预置粉末法在搅拌头凹型轴肩基体表面预置厚为1mm的均匀镍基陶瓷复合合金粉末；在锥形搅拌针基体表面预置0.8mm厚的均匀镍基陶瓷复合合金粉末；激光熔敷工艺参数：功率2KW，光斑直径3mm，扫描速度600mm/min，保护气氛为氩气，气体流量15L/min；搅拌头凹型轴肩基体表面制备的涂层厚度为0.7～0.8mm，多道搭接30％搭接；锥形搅拌针基体表面制备的耐磨耐高温涂层厚度为0.5～0.6mm，多道搭接30％搭接。耐磨耐高温涂层原料配方及熔敷工艺参数是涂层质量保证的前提，采用上述涂层原料配方、填料方式及熔敷工艺参数制备的耐磨耐高温涂层外观检测无起皮开裂现象。耐磨耐高温涂层性能测试如下：
显微硬度测试：采用HVS-1000维氏显微硬度计测试，涂层硬度值达1180HV，比加工制造的搅拌头基体硬度814HV提高了约31％。
摩擦磨损性能测试：采用H-1000型高温摩擦磨损试验机进行摩擦磨损性能测试，试验形式为销盘磨损，磨损时间设置为15min，法向载荷150N，磨盘转速200r/min。对试验前后W18Cr4V搅拌头基体及参数优化的耐磨耐高温涂层制备的销试样进行称重，并计算磨损失重量和相对耐磨性，W18Cr4V搅拌头基体失重量为3.6mg，耐磨耐高温涂层失重量为2.4mg，可知，相对耐磨性约为1.5，即耐磨耐高温涂层耐磨性较W18Cr4V搅拌头基体耐磨性提高了约33.3％。试验证明，本发明搅拌头表面制备的涂层具有优越的耐磨损性能。
耐高温性能测试：本发明耐磨耐高温涂层搅拌头焊接TC4钛合金高熔点材料，焊接时，峰值温度在1000℃以上，焊接工艺参数：TC4钛合金板材厚度6mm，搅拌头旋转速度920r/min，焊接速度70mm/min，累积焊接焊缝长度5m。焊后检验，焊缝组织晶粒大小较均匀，细化程度较好，搅拌头凹型轴肩和锥形搅拌针涂层表面有少量粘着，但涂层保持完好。试验证明本发明搅拌头表面制备的涂层具有优越的耐高温性能。
实施例二
按照本发明的方法，在加工制造的搅拌头凹型轴肩和锥形搅拌针基体上制备环形和螺旋形耐磨耐高温涂层，耐磨耐高温涂层原料粉末配方和激光熔敷工艺参数与实施例一相同。与实施例一不同的是：采用预置粉末法在搅拌头凹型轴肩基体表面预置厚为0.8～1.8mm的均匀镍基陶瓷复合合金粉末；在锥形搅拌针基体表面预置厚为0.8～1.0mm的均匀镍基陶瓷复合合金粉末；采用与实施例一相同的涂层原料配方和熔敷工艺参数在凹型轴肩和锥形搅拌针基体上制备与实施例一涂层不同的具有合理力学结构特征的环形和螺旋形耐磨耐高温涂层，搅拌头凹型轴肩基体表面制备的环形耐磨耐高温涂层宽度2～2.5mm，厚度0.5～1.5mm，环形涂层厚度由外圆1.2mm递减到轴心0.4mm；锥形搅拌针基体表面制备的螺旋形耐磨耐高温涂层宽度2mm，厚度0.5mm；外观检测环形涂层和螺旋形涂层无起皮开裂现象。本发明凹型轴肩表面制备的环形涂层和锥形表面制备的螺旋形涂层性能测试如下：
摩擦磨损性能测试：采用与实施例一相同的摩擦磨损性能测试参数进行测试，结果为：搅拌头凹型轴肩和锥形搅拌针基体上制备的环形和螺旋形涂层耐磨性较W18Cr4V搅拌头基体耐磨性提高了约48％。试验证明，本发明搅拌头凹型轴肩和锥形搅拌针基体上制备的环形和螺旋形涂层具有比实施例一涂层更优越的耐磨损性能。
耐高温性能测试：本发明在凹型轴肩和锥形搅拌针基体上制备的环形和螺旋形耐磨耐高温涂层搅拌头采用与实施例一相同的焊接工艺参数，相等的焊接焊缝长度，焊接TC4钛合金高熔点材料，获得的焊缝组织较实施例一获得的组织晶粒均匀化程度提高，但有明显粗化现象，搅拌头轴肩和搅拌针涂层表面无粘着，凹型轴肩表面制备的环形涂层和锥形搅拌针表面制备的螺旋形涂层保持完好，无磨损。上述组织明显粗化现象说明，在搅拌摩擦焊时，环形和螺旋形耐磨耐高温涂层搅拌头较实施例一耐磨耐高温涂层搅拌头机械搅拌产生的摩擦热量过大，在较多摩擦热的影响下，晶粒有回复长大的趋势，因此，证明本发明搅拌头表面制备的环形和螺旋形涂层具有比实施例一涂层更优越的耐高温性能。
实施例三
按照本发明的方法，在加工制造的搅拌头凹型轴肩和锥形搅拌针基体上制备环形和螺旋形耐磨耐高温涂层，耐磨耐高温涂层原料粉末配方、制备工艺都与实施例二相同。不同的是选取比实施例二较低的搅拌头旋转速度，较高的焊接速度焊接TC4钛合金高熔点材料，分别为750r/min和100mm/min，旋转速度降低了18.5％，焊接速度提高了30％。焊后焊缝组织与实施例一、实施例二相比较，焊缝组织晶粒为等轴状，晶粒均匀化程度大幅度提高，并且细化显著，搅拌头轴肩和搅拌针涂层表面无粘着，涂层保持完好。这是因为凹型轴肩和锥形搅拌针基体上制备的环形和螺旋形耐磨耐高温涂层，焊接时摩擦力大，焊缝区产生的热量多，弥补了因旋转速度降低而造成的热输入量的损失，所以按本发明的方法，在凹型轴肩和锥形搅拌针基体上制备的环形和螺旋形耐磨耐高温涂层搅拌头进行搅拌摩擦焊接，在旋转速度减小和焊接速度提高的情况下，不但获得了高质量的焊接接头，而且搅拌头的磨损大大下降，焊接效率大大提高，有效延长了搅拌头的使用寿命。

Claims (7)

1.一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)加工制造搅拌头基体：
将铸态高速工具钢W18Cr4V采用自由锻+模锻锻造技术加工成所需的毛坯搅拌头，毛坯搅拌头包括夹持部分1、凹型轴肩2和锥形搅拌针4，夹持部分1与凹型轴肩2圆弧过度，凹型轴肩2与锥形搅拌针4为圆弧过度，锻造后的毛坯搅拌头立即放入白灰箱缓冷，缓冷至室温后进行等温退火，随后采用磨削加工去除锻造氧化皮并修整夹持部分1、凹型轴肩2和锥形搅拌针4，再采用淬火+三次回火热处理工艺获得搅拌头基体；
(2)配制耐磨耐高温涂层粉末：
耐磨耐高温涂层粉末的原料包括：WC陶瓷增强相粉末、稀土氧化物La2O3、γ′相生成元素Al、Ti粉末、稳定γ′相元素Nb粉末以及镍基自熔性合金粉末Ni60，按重量百分比依次为：(20～25)％WC、(0.8～1.2)％La2O3、(3.2～3.7)％Al、(3.0～3.5)％Ti、(0.6～1.0)％Nb，余量为Ni60，上述粉末粒度为：-100～+300目；稀土氧化物La2O3纯度为99.99％；镍基自熔性合金Ni60，其组分的质量百分含量为碳1.6～1.85％，硅4.0～4.7％，硼2.9～3.1％，铁3.3～3.5％，铬15.6～15.9％，余量为Ni；将上述按比例配置好的原料粉末置于密封容器中，放入混料机中机械混合1～3h使之均匀，再对混合好的粉末用干燥箱160℃下干燥2h；
(3)搅拌头基体表面预置耐磨耐高温涂层粉末：
将步骤2按一定比例配制混合好的镍基陶瓷复合合金原料粉末采用预置粉末的方法预置到搅拌头凹型轴肩2和锥形搅拌针4基体表面，使预置粉末层厚度为0.8～2.0mm；
(4)耐磨耐高温涂层制备：
采用半导体激光器使预置在凹型轴肩2和锥形搅拌针4表面的镍基陶瓷复合合金粉末与基体表面层同时熔化，快速凝固后形成与基体成冶金结合的耐磨耐高温涂层；凹型轴肩2表面涂层形状为环形3，锥形搅拌针4表面涂层形状为螺旋形5。
2.根据权利要求1所述的一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，其特征在于，步骤(1)所述的自由锻+模锻是将铸态高速钢先经过自由锻方式反复镦粗和拔长，再经过模锻方式成形。
3.根据权利要求1所述的一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，其特征在于，步骤(1)所述的等温退火是将搅拌头基体加热至850-870℃，保温3-4h后采用10-20℃/h的速度冷却至500℃以下出炉，或冷却至740-760℃，保温4-6h后，再冷却至600℃以下出炉。
4.根据权利要求1所述的一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，其特征在于，步骤(3)所述预置粉末方法步骤为：
一、将质量浓度5％的PVA粘结剂加入混合均匀的粉末搅拌调成糊状态，两者质量比为1:2；
二、将糊状态预置粉末放入烘箱50℃保温20min；
三、将充分稀释的糊状预置粉末均匀涂覆在凹型轴肩2和锥形搅拌针4基体表面；
四、采用与凹型轴肩2和锥形搅拌针4形状一致的模具压平预置粉末层；
五、将预置粉末层自然干燥后再放入烘箱45℃烘干3.5～4h待用。
5.根据权利要求1所述的一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，其特征在于，步骤(4)所述凹型轴肩2表面涂层形状为环形3，其具体工艺为:采用激光器熔敷凹型轴肩2表面预置的镍基陶瓷复合合金粉末获得涂层，涂层为由轴肩外圆到轴心厚度逐渐减薄的三个环形同心圆耐磨耐高温涂层，环形宽度2～2.5mm，环形涂层厚度由最外层1～1.5mm逐渐减薄到最内层0.5～0.8mm。
6.根据权利要求1所述的一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，其特征在于，步骤(4)锥形搅拌针4表面涂层形状为螺旋形5，其具体工艺为采用激光器熔敷锥形搅拌针4表面预置的镍基陶瓷复合合金粉末获得螺旋形涂层5，锥形搅拌针4锥度为1:1.5；螺旋形涂层5螺旋升角为：60～75°；螺旋形涂层5宽度2～2.5mm；螺旋形涂层厚度0.5～0.8mm；螺旋形涂层为左旋，断面为圆弧形。
7.根据权利要求6所述的一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，其特征在于，步骤(4)所述耐磨耐高温涂层粉末的原料，采用激光熔敷制备成耐磨耐高温涂层，其主要相组成包括：γ-Ni、FeNi3、W2C、Cr23C6、Cr7C3、Ni3(Al，Ti)型γ′相及TiO2。
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