CN114986092A - 一种微结构阵列的多层材料搅拌头制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种微结构阵列的多层材料搅拌头制备方法，其特征是它包括以下步骤：首先，对搅拌头内芯的轴肩及搅拌针表面预置的内外层不同组分Ni60/WC粉末施加振动方式以形成梯度界面混合，并采用粉末压制及高温烧结方式将Ni60和WC冶金结合在轴肩和搅拌针表面上，使搅拌头的强度、耐磨性、耐高温性得到大幅提升，一定程度上延长了搅拌头的使用寿命，制备过程操作步骤简单而且效果好；通过激光熔覆方法在轴肩下表面和搅拌针底部制备微结构圆弧状凸起阵列，以增加轴肩与加工工件表面的接触面积，提高搅拌摩擦焊过程中的热量输入，一定程度使得材料流动更充分，减少轴肩的磨损和孔洞型缺陷的出现，提升焊接质量和效率。

Description

一种微结构阵列的多层材料搅拌头制备方法
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，尤其是一种搅拌头的制备技术，具体地说是一种微结构阵列的多层材料搅拌头制备方法。
背景技术
搅拌摩擦焊，简称FSW，主要通过搅拌头与被焊工件之间的搅拌摩擦热使该部位金属处于热塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使待焊件压焊为一个整体。该技术有着焊接接头质量高、焊接变形小、焊缝缺陷少、焊接过程绿色无污染等特点，在航空航天、轨道交通以及船舶制造等领域具有非常广泛的应用前景。
搅拌头是搅拌摩擦焊技术的关键，它的好坏决定了搅拌摩擦焊能否扩大待焊材料的种类，能否提高待焊材料的板厚范围。但是现有搅拌摩擦焊的搅拌头存在搅拌头寿命低，焊接温度不稳定以及产生典型缺陷如焊缝塌陷和飞边等问题，影响了焊接质量和效率，因此搅拌摩擦焊搅拌头技术还有待进一步改进。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。
专利公开号CN108677075B，发明名称是一种搅拌摩擦焊搅拌头材料以及搅拌头的制备方法，该发明提出了按一定重量百分比的钨粉75-85％和碳合金粉15-25％制备搅拌摩擦焊搅拌头，该发明制备的搅拌头具有优异的强度和耐磨损性能，搅拌头使用寿命大幅提升。但是该专利设计的搅拌头焊后板材容易出现缺陷，严重影响了焊接质量，大大降低了焊缝的力学性能，该专利在生产实践中难以使用。
专利公开号CN106181022B，发明名称是一种能提高厚板底部热输入量的搅拌摩擦焊搅拌头，该发明通过改进搅拌头的结构，旋转头上设有能增大摩擦的环形凹槽结构，搅拌针上设有螺旋凹槽结构和环状凹槽结构能增加厚板底部材料的产热量，解决了厚板搅拌摩擦焊接过程中板材底部区域容易产生孔洞和沟槽等缺陷的问题，提高了厚板搅拌摩擦焊接头质量。但是该发明的搅拌头在提高产热量的同时，相对而言搅拌头寿命也较低，耐磨性较差说明搅拌头也更易磨损，生产成本较高，在搅拌摩擦焊的生产实践中难以实用。
功能梯度材料是在航空航天技术发展要求中提出的一种材料新概念，其设计目的主要是利用属性连续变化的材料来使传统的金属材料和陶瓷材料可以同时发挥出二者的优点——良好的强度，韧性以及耐高温，耐摩擦的特性。本发明制备梯度界面混合材料冶金结合在搅拌头上以此提高其综合力学加工性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊搅拌头材料，以解决现有搅拌头力学性能低、使用寿命短的问题。本发明能够同时兼顾搅拌头整体的性能的同时，有效保证材料的耐磨性和耐高温性。
本发明的技术方案是：
一种微结构阵列的多层材料搅拌头制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)加工制造搅拌头芯体；
(2)配制耐高温耐磨材料；
(3)粉末冶金+振动获得耐磨材料形成梯度界面；
(4)高温热压烧结制备涂层；
(5)采用激光熔覆在轴肩下表面制备圆弧状凸起的微结构阵列。
其中：
所述的步骤(1)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。
所述的步骤(2)的耐高温耐磨材料由Ni60镍基合金粉末、WC陶瓷基合金粉末组成，Ni60镍基合金粉末粒径为20-90μm，WC陶瓷基合金粉末粒径为40-150μm。
所述步骤(3)是通过机械振动来控制内外层的形成；形成两层的Ni60合金粉末和WC合金粉末质量比呈梯度形式依次增大，内层的Ni60粉末与WC粉末质量比大，外层的Ni60粉末与WC粉末质量比小，即增加WC粉末在混合粉末中的质量占比；振动频率控制为10kHz-50kHz左右。
所述步骤(4)是将搅拌头放入真空或有惰性气体保护的高温炉高温热压烧结制备涂层。
所述的步骤(5)是采用激光熔覆方法在搅拌头轴肩(2)下表面及搅拌针底部冶金结合的Ni60/WC层上制备圆弧状凸起微结构阵列，圆弧状凸起与轴肩下面通过圆弧过渡。
详述如下：
一、加工制造搅拌头芯体：
将高速工具钢W18Cr4V采用自由锻和模锻的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1、轴肩部2和搅拌针3，沿夹持部1的长度方向开设有紧定面11，搅拌针3本身是锥形结构，锥形结构侧面设置有螺纹31。锻造后的毛坯搅拌头立即放入缓冷坑内缓冷，缓冷至室温后进行等温退火，随后采用磨削加工去除锻造过程中产生的氧化皮并修整夹持部1、轴肩部2和搅拌针3，并且采用车削加工在轴肩部2的圆柱体部分上开设等距的环形凹槽21，在搅拌针底部加工出凸弧状，最后经过淬火和三次回火热处理工艺获得搅拌摩擦焊搅拌头芯体。
所述的自由锻+模锻是将铸态高速钢W18Cr4V先经过自由锻方式反复镦粗和拔长，再经过模锻方式成形。
W18Cr4V高速钢锻造后的硬度很高，只有经过等温球化退火降低硬度才能切削加工。
二、配制耐高温耐磨材料：
耐磨耐高温涂层粉末的原料包括：Ni60镍基合金粉末、WC陶瓷基合金粉末。Ni60镍基合金粉末粒径为20-90μm，WC陶瓷基合金粉末粒径为40-150μm。
将熔覆粉末进行预热，筛选出合适粒径和成分比例的粉末，放入混料机中机械混合均匀后，保持一定温度下干燥一段时间。
三、粉末冶金+振动获得耐磨材料形成梯度界面：
对冶金结合粉末的搅拌针3和轴肩部2的表面进行预处理，保持表面的清洁使其表面无油污等，并将其烘干。
将Ni60合金粉末和WC合金粉末分别装入送粉器的两个区域，将搅拌头芯体放置于模具中，模具放置于低频振动平台中。通过控制每个送粉器的送粉速度，间接控制形成涂层的金属含量。在粉末送入到搅拌针3和轴肩部2的表面后，保持低频振动平台的振动，振动频率为10-50kHz。
粉末冶金是指按照一定的比例配置混合金属相+陶瓷相混合粉末，将混合粉末预置于轴肩部2下表面和搅拌针3外表面，在模具中通过压缩得以成形。
振动是指通过机械振动来控制内外层的形成。形成两层的Ni60合金粉末和WC合金粉末质量比呈梯度形式依次增大，内层的Ni60粉末与WC粉末质量比大，外层的Ni60粉末与WC粉末质量比小，即增加WC粉末在混合粉末中的质量占比。
四、高温热压烧结制备涂层：
将步骤“粉末冶金+振动获得耐磨材料形成梯度界面”中制备的搅拌头放入真空或有惰性气体保护的高温炉烧结，根据预置粉末的梯度比例和粒度，其烧结温度和烧结时间有所不同；然后随炉冷却，制备得一定厚度的硬质合金涂层。
五、激光熔覆制备圆弧状凸起微结构阵列：
最后在搅拌头轴肩2下表面及搅拌针底部的Ni60/WC冶金结合层上制备圆弧状凸起的微结构阵列，圆弧状凸起22与轴肩下面通过圆弧过渡。
本发明的有益效果：
本发明所提供的梯度界面混合多层硬质合金涂层搅拌头，通过机械振动+粉末冶金的方式将镍基合金粉末和WC粉末材料冶金结合在搅拌针和轴肩的表面，在搅拌针和轴肩的表面形成具有高强度、耐高温、耐磨的Ni60+ω％WC功能梯度界面硬质涂层，内层具有高韧性而外层具有高耐磨性和高硬度，提高了涂层和芯体的结合力和涂层的强度，从而大幅提高搅拌头的加工性能。机械振动也促进均匀传热，细化组织，减少熔覆层中的应力集中和残余应力，一定程度上延长了搅拌头的使用寿命。同时，粉末冶金法的成本较低，操作简单，能大幅提高工作效率和质量。
通过改进搅拌摩擦焊搅拌头轴肩下表面和搅拌针底面的表面形貌，提高了轴肩与工件表面的接触面积，提高了焊接过程中摩擦力，加大了搅拌摩擦焊接过程中的热输入，有利于加工过程中材料的塑性流动，解决了厚板搅拌摩擦焊接过程中板材底部区域容易产生孔洞和沟槽等缺陷的问题。
本发明制备的搅拌头各项性能指标优于现有的方法，见下表。
性能参数对比
Figure BDA0003664361420000041
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的搅拌头轴肩和搅拌针表面耐磨耐高温涂层结构示意图。
图3是搅拌针俯视示意图。
图4是图3中A微结构阵列圆弧状凸起结构的局部放大图。
图中：1-夹持部，11-紧定面，2-轴肩部，21-环形凹槽，22-微结构阵列圆弧状凸起，3-搅拌针，31-螺纹。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。
本发明的核心思想在于，本发明提供的一种微结构阵列的多层材料搅拌头，能够实现搅拌头的材料从搅拌头主体部分的韧性好、强度高、经济性好的材料向搅拌头轴肩端面及搅拌针表面的高温耐磨性好的材料，实现成分的梯度过渡，进而实现性能梯度的过渡。具体制备步骤分以下五步。
步骤一、加工制造搅拌头芯体：
将高速工具钢W18Cr4V采用自由锻和模锻的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1、轴肩部2和搅拌针3，沿夹持部1的长度方向开设有紧定面11，搅拌针3本身是锥形结构，锥形结构侧面设置有螺纹31。锻造后的毛坯搅拌头立即放入缓冷坑内缓冷，缓冷至室温后进行等温退火，随后采用磨削加工去除锻造过程中产生的氧化皮并修整夹持部1、轴肩部2和搅拌针3，并且采用车削加工在轴肩部2的圆柱体部分上开设等距的环形凹槽21，在搅拌针底部加工出凸弧状，最后用淬火和三次回火热处理工艺(与淬火、回火与现有热处理工艺相同)获得搅拌摩擦焊搅拌头芯体。加工制备的搅拌头基体可以保持夹持部分的刚性，又可以保持轴肩2下表面和搅拌针3表面具有较好的耐磨性和耐高温性，但此时的搅拌头的耐磨性和耐高温性还不足以满足搅拌摩擦焊过程中所能达到的高熔点材料性能，需要在轴肩2下表面和搅拌针3表面形成梯形界面混合的耐高温耐磨的涂层。
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(镦粗和拔长参数可参见相关手册或通过有限次的试验自行确定)。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。
步骤二、配制耐高温耐磨材料。
耐磨耐高温涂层粉末的原料包括：Ni60镍基合金粉末、WC陶瓷基合金粉末。优选不同比例的混合粉末下二者质量占比，以WC陶瓷相的质量占比作为主要衡量量，梯度过渡步长设置为10％，混合粉末比例有：Ni60+15％WC，Ni60+25％WC，Ni60+35％WC。
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150℃下干燥2-3h。
步骤三、粉末冶金+振动获得耐磨材料形成梯度界面：
对涂敷粉末的搅拌针3和轴肩部2的表面进行预处理，保持其清洁，然后按步骤二中一定比例配置混合好的Ni60+ω1％WC和Ni60+ω2％WC采用预置粉末放到有芯体的搅拌摩擦焊搅拌头模具中，预置到搅拌头的轴肩部2的下表面和搅拌针3的所有表面。
对模具和搅拌头进行预热处理，通过送粉器将其送至模具和搅拌头的预置粉末部分，然后将模具和搅拌头在振动台上进行反复的机械振动一段时间，振动频率为10kHz-50kHz。
步骤四、高温烧结涂层制备：
将步骤三中制备的搅拌头放入真空或有惰性气体保护的高温炉烧结，根据预置粉末的梯度比例和粒度，烧结温度为500-1100℃；然后随炉冷却，制备得0.1mm以上的涂层。
步骤五、微纳米压印制造微结构阵列圆弧状凸起：
最后采用激光熔覆方法直接在冶金结合层上形成微结构阵列，在轴肩部2的小表面制备出微结构阵列圆弧状凸起22，圆弧状凸起22与轴肩下面通过圆弧过渡。凸起高度为0.01mm，宽度为0.04mm。
实施例1。
按质量分数比配置搅拌头内外层材料，内层材料为Ni60+15％WC复合粉末，外层材料为Ni60+25％WC复合粉末，粉末预混合时长0.5-1h,干燥一段时间后，放入搅拌头和模具之中，振动频率为20kHz-35kHz形成梯度界面混合，将制得的混合料热压烧结，烧结温度1000-1050℃，烧结压力40-80MPa。烧结后的工件-200-0℃冷却2-4h，回温到500-700℃得到高耐磨搅拌头，后续通过激光熔覆获得微结构阵列圆弧状凸起。
实施例2。
按质量分数比配置搅拌头内外层材料，内层材料为Ni60+25％WC复合粉末，外层材料为Ni60+35％WC复合粉末，粉末预混合时长0.75-2h,干燥一段时间后，放入搅拌头和模具之中，振动频率为25kHz-45kHz形成梯度界面混合，将制得的混合料热压烧结，烧结温度1000-1100℃，烧结压力20-70MPa。烧结后的工件-200-0℃冷却1-4h，回温到500-900℃得到高耐磨搅拌头，后续通过激光熔覆获得微结构阵列圆弧状凸起。
本方法获得的搅拌头的性能如下：
添加了碳化钨的镍基涂层都可以大大提高芯体材料W18Cr4V的表面硬度。而使用Ni60+35％WC作为外层的平均硬度可达芯体的1.2-3倍左右，最高的显微硬度可达到芯体的1.7-4倍左右；随着涂层中WC含量的增加，涂层中形成的硬质想和未熔WC逐渐增加，磨损体积相应减小，耐磨性得到提升，尤其时外层为35％WC涂层最为明显。
实施例3。
所焊接工件材料为6061-T6铝合金板材，板材厚度为0.5-2mm，完成对接焊接工作。
优选的，搅拌针直径通常为搅拌头轴肩直径的1/3。
优选的，焊接进给速度保持在50～800mm/min,搅拌头主轴转速为2500-20000r/min，焊接倾角选择为0°-1°，压入量不大于0.2mm。
通过该具有表面微结构阵列的搅拌头焊接后，高效地完成了0.5-2mm薄板铝件的对接焊接工作，与普通的搅拌摩擦焊搅拌头相比，孔洞和沟槽等缺陷的问题得到了改善，而且一定程度上提高了搅拌头的工作效率和质量，搅拌头寿命也得到一定的延长。
本研究中的搅拌摩擦焊搅拌头选择的是平轴肩、锥形搅拌针，其它类型搅拌头形式方法类似。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种微结构阵列的多层材料搅拌头制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)加工制造搅拌头芯体；
(2)配制耐高温耐磨材料；
(3)粉末冶金+振动获得耐磨材料形成梯度界面；
(4)高温热压烧结制备涂层；
(5)采用激光熔覆在轴肩下表面制备圆弧状凸起的微结构阵列。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于，所述的步骤(1)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所述的制备方法,其特征在于，所述的步骤(2)的耐高温耐磨材料由Ni60镍基合金粉末、WC陶瓷基合金粉末组成，Ni60镍基合金粉末粒径为20-90μm，WC陶瓷基合金粉末粒径为40-150μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于，所述步骤(3)是通过机械振动来控制内外层的形成；形成两层的Ni60合金粉末和WC合金粉末质量比呈梯度形式依次增大，内层的Ni60粉末与WC粉末质量比大，外层的Ni60粉末与WC粉末质量比小，即增加WC粉末在混合粉末中的质量占比；振动频率控制为10kHz-50kHz左右。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于，所述步骤(4)是将搅拌头放入真空或有惰性气体保护的高温炉高温热压烧结制备涂层。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于，所述的步骤(5)是采用激光熔覆方法在搅拌头轴肩(2)下表面及搅拌针底部冶金结合的Ni60/WC层上制备圆弧状凸起微结构阵列，圆弧状凸起与轴肩下面通过圆弧过渡。
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