CN108608108B - 一种基于搅拌摩擦焊接的梯度功能材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于搅拌摩擦焊接的梯度功能材料的制备方法，利用基板上的直角三棱柱槽结构设计在基板上添加增强相材料，依靠搅拌头与基板焊接区材料的相互摩擦产生热量，使基板焊接区域发生塑性软化，导致基板焊接区材料在搅拌头的作用下带动增强相材料发生塑性流动，从而使基板焊接区材料与增强相材料形成均匀的梯度功能材料；本发明所述方法不需要真空、温度、电场、磁场等特殊环境，制备成本低；采用固态加工方式，能有效避免材料中裂纹、气孔和氧化物的形成，能够得到高致密性、混合均匀的梯度功能材料；可以加工各种类型的梯度功能材料；是一种绿色的加工工艺；可以得到力学性能更高的梯度功能材料。

Description

一种基于搅拌摩擦焊接的梯度功能材料的制备方法

技术领域

本发明属于梯度功能材料制备领域，涉及一种基于搅拌摩擦焊接的梯度功能材料的制备方法。

背景技术

梯度功能材料是指材料的要素(组成、结构)沿某一维度呈梯度变化，从而使材料的物理、化学和力学性能在空间上具有相应梯度变化的一种功能材料。梯度功能材料用作涂层和界面层可以提高粘结强度、减小残余应力和热应力、减小裂纹驱动力、增强连接强度。近年来，梯度功能材料的应用已经从最初的航空航天领域扩大到了生物医疗、光电工程、能源工业、核工程、机械加工等领域。

梯度功能材料的分类有很多，例如金属/金属、金属/陶瓷、金属/合金、非金属/非金属、非金属/陶瓷、高分子膜/高分子膜等。金属铝因具有导热、导电性好、比强度高、易加工、价格低廉等优点应用十分广泛，而陶瓷碳化硅具有耐腐蚀性能、耐磨性能、硬度高、强度高等优点是金属铝最常用的一种理想的陶瓷增强体材料，铝/碳化硅梯度功能材料现在已经应用在汽车发动机活塞、地空导弹型号整体梯度功能材料燃气舵、汽车制动盘等零部件、飞机机翼加强筋、飞机起落架等领域。随着电力的大量需求，在一些大电流、高电压的传导过程中需要铝导线和铜导线的连接，但是将铜铝导线直接连接在一起会发生电化学腐蚀，连接处电阻增大、发热，导致电路时断时通，电压忽高忽低，铜/铝梯度功能材料能有效缓解上述问题。研究制备类似铝/碳化硅梯度功能材料和铝/铜梯度功能材料的方法尤为重要，本发明在提出梯度功能材料搅拌摩擦焊接制备方法的基础上，举例说明了铝/碳化硅梯度功能材料和铝/铜梯度功能材料的制备过程。

目前，梯度功能材料的制备方法包括：气相沉积法(化学气相沉积法、物理气相沉积法)、高温自蔓延合成法、等离子喷涂法、粉末冶金法、电沉积法、激光熔覆法等。上述的制备方法大都需要在高温炉中加热，或是电场辅助以及真空环境，造成梯度功能材料的制备过程复杂而且成本较高，因此迫切需要一种在空气中利用清洁能源简单而又快速有效制备梯度功能材料的方法。

搅拌摩擦焊接是1991年由英国焊接研究所发明的一种固态焊接技术，它依靠搅拌头与被焊接区域内的材料的相互摩擦产生热量，使被焊接区域发生塑性软化，进而在搅拌头的搅拌作用下产生塑性流动，使被焊接区域内的材料均匀连接在一起。图1是本方法基于的现有技术中的搅拌摩擦加工的示意图。搅拌摩擦焊接的搅拌头沿着焊接方向完成一次焊接后会形成一个类梯形的区域。

发明内容

为了解决现有制备梯度功能材料过程中高温高压环境、设备昂贵稀缺、制备过程复杂、制备成本高、界面结合效应差、污染严重等问题，本发明提供了一种基于搅拌摩擦焊接的梯度功能材料的制备方法，从而获得性能优异的梯度功能材料。

本发明是采用搅拌摩擦焊接的方式，在搅拌头的焊接方向上梯度地加入增强相材料，依靠搅拌头与基板焊接区材料的相互摩擦产生热量，使基板焊接区域发生塑性软化，导致基板焊接区材料在搅拌头的作用下带动增强相材料发生塑性流动，从而使基板焊接区材料与增强相材料形成均匀的梯度功能材料。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于搅拌摩擦焊接的梯度功能材料的制备方法，采用搅拌摩擦焊接的方式，在搅拌头的焊接方向上梯度地加入增强相材料，依靠搅拌头与基板焊接区材料的相互摩擦产生热量，使基板焊接区域发生塑性软化，导致基板焊接区材料在搅拌头的作用下带动增强相材料发生塑性流动，从而使基板焊接区材料与增强相材料形成均匀的梯度功能材料；其特征在于，设定搅拌头的焊接方向为X方向，平行于基板平面与焊接方向垂直的方向为Y方向，垂直于基板平面的方向为Z方向；搅拌摩擦焊接的搅拌头沿着焊接方向即X方向完成一次焊接后会形成一个类梯形的基板焊接区域，设定M为基板焊接区域上表面的宽度，M的大小等于搅拌头的轴肩直径，N为基板焊接区域下表面的宽度，N的大小等于搅拌头的搅拌针直径，h为基板的厚度，规定h的大小也等于搅拌头轴肩的下压量与搅拌针长度之和，本方法的具体步骤如下：

(1)原材料制备：在基板搅拌头焊接方向的焊接区域上采用铣削的加工方式加工一个直角三棱柱槽，焊接时搅拌头会先经过直角三棱柱槽的顶点，沿着直角三棱柱槽的高H过渡到直角三棱柱槽的底面，设定直角三棱柱槽平行于X方向的边为直角三棱柱槽的高H即加工后的梯度功能材料的长度，直角三棱柱槽平行于Y方向的边为直角三棱柱槽的一个底边A，其中搅拌头搅拌摩擦时的路线经过底边A的中点，直角三棱柱槽平行于Z方向的边为直角三棱柱槽的另一个底边B，规定A<N，B<h；

(2)原材料装夹：使用夹具将基板装夹在工作台上；

(3)添加增强相材料：将粉末状或固体状的增强相材料添加到基板上的直角三棱柱槽中；

(4)沿着覆盖增强相材料的焊接方向即X方向用搅拌摩擦刀具对基板和增强相材料进行一次搅拌摩擦加工，获得初始的梯度功能材料；

(5)将一次搅拌摩擦加工后的基板翻转，重新装夹，按照步骤(4)的方向和位置对翻转后的基板和增强相材料进行一次搅拌摩擦加工；

(6)重复步骤(5)两次从而获得增强相均匀混合的梯度功能材料；

进一步的技术方案为：

步骤(3)中添加增强相材料时，对于两个熔点不同的组成材料，增强相材料采用该增强相材料的粉末状态的方式，在搅拌摩擦的作用下利用塑性流动的基板材料将增强相材料的粉末均匀地混合在基板材料中，将增强相材料粉末填充在基板的直角三棱柱槽中，由于直角三棱柱槽各处的体积不同，增强相材料的粉末在基板中经过搅拌摩擦之后会呈现出梯度分布；

对于两个熔点相差小于500℃的组成材料来说，增强相材料可以采用该增强相材料的固体状态的方式，将增强相材料固体用线切割方式或铣削方式加工成直角三棱柱槽的尺寸镶嵌在基板的直角三棱柱槽中，在搅拌摩擦的作用下使两种材料塑性软化，在搅拌头的作用下塑性流动，由于直角三棱柱槽中增强相材料各处的体积不同，复合材料中的两个组成材料会呈现梯度分布。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

(1)基于搅拌摩擦焊接的梯度功能材料的制备方法不需要真空、特定温度、电场、磁场等特殊环境，在普通环境就可以进行加工，制备成本低；

(2)本方法采用固态加工方式，能有效避免材料中裂纹、气孔和氧化物的形成，能够得到高致密性、混合均匀的梯度功能材料；

(3)因为本方法中增强相材料可以采用粉末状态或固体状态的方式，不限制两个组成材料的熔点差异，所以本方法可以加工各种类型的梯度功能材料，例如金属/陶瓷、金属/金属、金属/合金、金属/非金属等类型；

(4)本方法在加工过程中依靠搅拌头与基板焊接区材料的相互摩擦产生热量，使基板焊接区域发生塑性软化，导致基板焊接区材料在搅拌头的作用下带动增强相材料发生塑性流动，整个过程不需要焊条、冷却液、化学处理等，是一种绿色的加工工艺；

(5)因为本方法中直角三棱柱槽的尺寸在满足条件的前提下可根据需要设定，因此本方法可以根据增强相材料所占体积分数的要求制备各种梯度结构的梯度功能材料；

(6)本方法由于将基板反复翻转多次搅拌摩擦加工，在搅拌头的高速旋转下增强相材料会细化且均匀分布，能得到力学性能更高的梯度功能材料。

(7)本发明所述的基于搅拌摩擦焊接制备梯度功能材料的方法可以方便计算增强相材料所占的体积分数。经过一次搅拌摩擦加工之后的区域会形成一个类梯形的基板焊接区域，为了减少计算的复杂程度，本方法中将基板连续翻转所形成的加工区域类似于长M、宽h的矩形。那么任意横截面位置增强相材料所占体积分数的计算公式为：

其中V_i为i横截面处增强相材料所占体积分数，A_i和B_i为i横截面处直角三棱柱槽的两底边长。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为现有技术中搅拌摩擦焊接加工的示意图；

图2为本方法中在基板搅拌头焊接方向的焊接区域上采用铣削的加工方式加工的直角三棱柱槽的示意图；

图3为本方法的示意图；

图4为图3中的搅拌头的局部结构示意图，搅拌头包括搅拌头轴肩以及设置在搅拌头轴肩下方的搅拌针；

图5为本方法中一次搅拌摩擦加工区域横截面示意图；

图6为本方法中一次搅拌摩擦加工的基板翻转后的搅拌摩擦加工区域横截面示意图；

图中：X方向为搅拌头的焊接方向；Y方向为平行于基板平面与焊接方向垂直的方向；Z方向为垂直于基板平面的方向；M为基板焊接区域上表面的宽度；N为基板焊接区域下表面的宽度；h为基板的厚度；H为直角三棱柱槽平行于X方向的边即直角三棱柱槽的高；A为直角三棱柱槽平行于Y方向的边即直角三棱柱槽的一个底边，其中搅拌头搅拌摩擦时的焊接路线经过底边A的中点；B为直角三棱柱槽平行于Z方向的边即直角三棱柱槽的另一个底边。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

结合图1至图6说明本发明的具体实施方式，本发明提供了一种基于搅拌摩擦焊接的梯度功能材料的制备方法。

一种基于搅拌摩擦焊接的梯度功能材料的制备方法，采用搅拌摩擦焊接的方式，在搅拌头的焊接方向上梯度地加入增强相材料，依靠搅拌头与基板焊接区材料的相互摩擦产生热量，使基板焊接区域发生塑性软化，导致基板焊接区材料在搅拌头的作用下带动增强相材料发生塑性流动，从而使基板焊接区材料与增强相材料形成均匀的梯度功能材料；设定搅拌头的焊接方向为X方向，平行于基板平面与焊接方向垂直的方向为Y方向，垂直于基板平面的方向为Z方向；搅拌摩擦焊接的搅拌头沿着焊接方向即X方向完成一次焊接后会形成一个类梯形的基板焊接区域，设定M为基板焊接区域上表面的宽度，M的大小等于搅拌头的轴肩直径，N为基板焊接区域下表面的宽度，N的大小等于搅拌头的搅拌针直径，h为基板的厚度，规定h的大小也等于搅拌头轴肩的下压量与搅拌针长度之和，本方法的具体步骤如下：

(1)原材料制备：在基板搅拌头焊接方向的焊接区域上采用铣削的加工方式加工一个如图2所示直角三棱柱槽，焊接时搅拌头会先经过直角三棱柱槽的顶点，沿着直角三棱柱槽的高H过渡到直角三棱柱槽的底面，设定直角三棱柱槽平行于X方向的边为直角三棱柱槽的高H即加工后的梯度功能材料的长度，直角三棱柱槽平行于Y方向的边为直角三棱柱槽的一个底边A，其中搅拌头搅拌摩擦时的路线经过底边A的中点，直角三棱柱槽平行于Z方向的边为直角三棱柱槽的另一个底边B，规定A<N，B<h；

(2)原材料装夹：使用夹具将基板装夹在工作台上；

(3)添加增强相材料：将粉末状或固体状的增强相材料添加到基板上的直角三棱柱槽中；

(4)沿着覆盖增强相材料的焊接方向即X方向用搅拌摩擦刀具对基板和增强相材料进行一次搅拌摩擦加工如图3，一次搅拌摩擦加工区域横截面示意图如图5，获得初始的梯度功能材料；

(5)将一次搅拌摩擦加工后的基板翻转，翻转后的一次搅拌摩擦加工区域横截面示意图如图6所示，重新装夹，按照步骤(4)的方向和位置对翻转后的基板和增强相材料进行一次搅拌摩擦加工；

(6)重复步骤(5)两次从而获得增强相均匀混合的梯度功能材料；

步骤(3)中添加增强相材料时，对于两个熔点不同的组成材料，增强相材料采用该增强相材料的粉末状态的方式，在搅拌摩擦的作用下利用塑性流动的基板材料将增强相材料的粉末均匀地混合在基板材料中，将增强相材料粉末填充在基板的直角三棱柱槽中，由于直角三棱柱槽各处的体积不同，增强相材料的粉末在基板中经过搅拌摩擦之后会呈现出梯度分布；

对于两个熔点相差小于500℃的组成材料来说，增强相材料可以采用该增强相材料的固体状态的方式，将增强相材料固体用线切割方式或铣削方式加工成直角三棱柱槽的尺寸镶嵌在基板的直角三棱柱槽中，在搅拌摩擦的作用下使两种材料塑性软化，在搅拌头的作用下塑性流动，由于直角三棱柱槽中增强相材料各处的体积不同，复合材料中的两个组成材料会呈现梯度分布。

实施例1：

该实例制备的是铝/碳化硅梯度功能材料，本实例所使用的搅拌头尺寸和一些工艺参数分别为：搅拌头的轴肩直径11mm即M＝11mm，轴肩下压量为0.2mm，搅拌头的搅拌针直径为4.4mm即N＝4.4mm，长度为2.8mm，主轴倾斜角为2°，搅拌头旋转速度为875r/min，搅拌摩擦加工搅拌头前进速度为36mm/min，铝基板的材料为6061Al，铝基板的厚度3mm即h＝3mm：

(1)原材料制备：在搅拌摩擦加工之前，发明人将铝基板表面打磨、清洗、烘干后，在铝基板搅拌头焊接方向的焊接区域上使用大连机床厂VDL1000立铣床加工如图2所示的一个直角三棱柱槽，其中A＝0.5mm，B＝2mm，H＝40mm；

(2)原材料装夹：使用夹具将铝基板装夹在工作台上；

(3)添加增强相材料：铝的熔点在660℃左右，而碳化硅的熔点高达2700℃，熔点相差超过了500℃因此选择的碳化硅增强相为粉末状态，发明人将平均粒径为9μm的碳化硅增强相粉末混合在无水乙醇中利用针管注入到直角三棱柱槽中，并且压实干燥；

(4)沿着覆盖碳化硅增强相的焊接方向对铝基板和碳化硅陶瓷增强相粉末进行一次搅拌摩擦加工如图3，一次搅拌摩擦加工区域横截面示意图如图5，获得初始的金属/陶瓷梯度功能材料；

(5)将一次搅拌摩擦加工后的铝基板翻转，翻转后的一次搅拌摩擦加工区域横截面示意图如图6所示，重新装夹，顺着步骤(4)的方向和位置对铝基板和碳化硅陶瓷增强相粉末进行一次搅拌摩擦加工；

(6)重复步骤(5)两次从而获得碳化硅均匀分散的铝基梯度功能材料；

碳化硅增强相粉末所占体积分数最大为：

由此可知，该实例的梯度功能材料的增强相体积分数从0％增加到3％，梯度部分的长度为40mm。

搅拌摩擦加工之后，整个加工区域表面光滑、无裂纹、基本无飞边，至此发明人使用搅拌摩擦加工的方法成功制备了铝/碳化硅梯度功能材料。

注：本实例中如果陶瓷碳化硅粉末含量太高，在金属塑性融化后陶瓷碳化硅粉末难以随着金属塑性流动，梯度功能材料难以成形，搅拌头的损伤亦会急剧增加；由于陶瓷粉末含量较低导致直角三棱柱槽尺寸过小难于加工，发明人先将铝基板用线切割切成两部分，再用VDL1000立铣床沿侧边加工A＝0.5mm，B＝2mm，H＝40mm的直角三棱柱槽，之后使用夹具将铝基板装夹在工作台上。

实施例2：

该实例制备的是铝/铜梯度功能材料，本实例所使用的搅拌头尺寸和一些工艺参数与实施例1相同：

(1)原材料制备：在搅拌摩擦加工之前，发明人将铝基板表面打磨、清洗、烘干后，在铝基板搅拌头焊接方向的焊接区域上使用大连机床厂VDL1000立铣床加工如图2所示的一个直角三棱柱槽，其中A＝2mm，B＝2.5mm，H＝40mm；

(2)原材料装夹：使用夹具将铝基板装夹在工作台上；

(3)添加增强相材料：铝的熔点在660℃左右，铜的熔点在1083℃左右，熔点相差小于500℃，因此铜增强相材料的状态可以为粉末也可以为固体，在实施例2中铜增强相的状态选择为固体，利用线切割方式加工铜的直角三棱柱固体然后将其放入到铝基板上的直角三棱柱槽中；

(4)沿着覆盖铜增强相的焊接方向对铝基板和铜增强相直角三棱柱固体进行一次搅拌摩擦加工如图3，一次搅拌摩擦加工区域横截面示意图如图5，获得初始的金属/金属梯度功能材料；

(5)将一次搅拌摩擦加工后的铝基板翻转，翻转后的一次搅拌摩擦加工区域横截面示意图如图6所示，重新装夹，顺着步骤(4)的方向和位置对铝基板和铜增强相直角三棱柱固体进行一次搅拌摩擦加工；

(6)重复步骤(5)两次从而获得铜均匀分散的铝基梯度功能材料；

铜增强相所占体积分数最大为：

由此可知，该实例的梯度功能材料的增强相体积分数从0％增加到15％，梯度部分的长度为40mm。

搅拌摩擦加工之后，整个加工区域表面光滑、无裂纹、基本无飞边，至此发明人使用搅拌摩擦加工的方法成功制备了铝/铜梯度功能材料。

Claims (2)

1.一种基于搅拌摩擦焊接的梯度功能材料的制备方法，采用搅拌摩擦焊接的方式，在搅拌头的焊接方向上梯度地加入增强相材料，依靠搅拌头与基板焊接区材料的相互摩擦产生热量，使基板焊接区域发生塑性软化，导致基板焊接区材料在搅拌头的作用下带动增强相材料发生塑性流动，从而使基板焊接区材料与增强相材料形成均匀的梯度功能材料；其特征在于，设定搅拌头的焊接方向为X方向，平行于基板平面与焊接方向垂直的方向为Y方向，垂直于基板平面的方向为Z方向；搅拌摩擦焊接的搅拌头沿着焊接方向即X方向完成一次焊接后会形成一个类梯形的基板焊接区域，设定M为基板焊接区域上表面的宽度，M的大小等于搅拌头的轴肩直径，N为基板焊接区域下表面的宽度，N的大小等于搅拌头的搅拌针直径，h为基板的厚度，规定h的大小也等于搅拌头轴肩的下压量与搅拌针长度之和，本方法的具体步骤如下：

(1)原材料制备：在基板搅拌头焊接方向的焊接区域上采用铣削的加工方式加工一个直角三棱柱槽，焊接时搅拌头会先经过直角三棱柱槽的顶点，沿着直角三棱柱槽的高H过渡到直角三棱柱槽的底面，设定直角三棱柱槽平行于X方向的边为直角三棱柱槽的高H即加工后的梯度功能材料的长度，直角三棱柱槽平行于Y方向的边为直角三棱柱槽的一个底边A，其中搅拌头搅拌摩擦时的路线经过底边A的中点，直角三棱柱槽平行于Z方向的边为直角三棱柱槽的另一个底边B，规定A<N，B<h；

(2)原材料装夹：使用夹具将基板装夹在工作台上；

(3)添加增强相材料：将粉末状或固体状的增强相材料添加到基板上的直角三棱柱槽中；

(4)沿着覆盖增强相材料的焊接方向即X方向用搅拌摩擦刀具对基板和增强相材料进行一次搅拌摩擦加工，获得初始的梯度功能材料；

(5)将一次搅拌摩擦加工后的基板翻转，重新装夹，按照步骤(4)的方向和位置对翻转后的基板和增强相材料进行一次搅拌摩擦加工；

(6)重复步骤(5)两次从而获得增强相均匀混合的梯度功能材料。

2.根据权利要求1所述的一种基于搅拌摩擦焊接的梯度功能材料的制备方法，其特征在于：

步骤(3)中添加增强相材料时，对于两个熔点不同的组成材料，增强相材料采用该增强相材料的粉末状态的方式，在搅拌摩擦的作用下利用塑性流动的基板材料将增强相材料的粉末均匀地混合在基板材料中，将增强相材料粉末填充在基板的直角三棱柱槽中，由于直角三棱柱槽各处的体积不同，增强相材料的粉末在基板中经过搅拌摩擦之后会呈现出梯度分布；

对于两个熔点相差小于500℃的组成材料来说，增强相材料可以采用该增强相材料的固体状态的方式，将增强相材料固体用线切割方式或铣削方式加工成直角三棱柱槽的尺寸镶嵌在基板的直角三棱柱槽中，在搅拌摩擦的作用下使两种材料塑性软化，在搅拌头的作用下塑性流动，由于直角三棱柱槽中增强相材料各处的体积不同，复合材料中的两个组成材料会呈现梯度分布。