一種基于超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝制備超細(xì)晶/納米晶板材的方法，首先將待加工板材水平放置在墊板上并固定好,然后攪拌工具以1000～7000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速扎入板材表面且穿透板材，直到不旋轉(zhuǎn)軸肩的端面與板材上表面接觸后。超聲換能器的超聲波通過與超聲變幅桿相聯(lián)的攪拌針直接傳遞到待加工區(qū)域，利用超聲波在半固態(tài)材料中傳播時(shí)產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)細(xì)化晶粒的效果。當(dāng)攪拌工具達(dá)到設(shè)定的下扎深度時(shí)，攪拌針停止下扎且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)3～8分鐘，進(jìn)行材料預(yù)熱，然后攪拌工具以50～500mm/分的速度沿著板材縱向方向從左至右往返梯次向前運(yùn)動(dòng)，直到整個(gè)板材表面加工完畢為止。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種攪拌摩擦加工的工藝方法，尤其涉及一種板材背面無支撐且基于超聲聲空化效應(yīng)的半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法。
技術(shù)介紹
:攪拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)是英國(guó)焊接研究所于1991年提出的一種新型固相焊技術(shù)，具有優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、汽車、船舶等領(lǐng)域有著眾多的應(yīng)用對(duì)象。基于攪拌摩擦焊的思想，美國(guó)的Mishra博士提出了攪拌摩擦加工(Friction stir processing, FSP),即利用攪拌頭所造成加工區(qū)域材料的劇烈塑性變形、混合、破碎，實(shí)現(xiàn)材料微觀組織的細(xì)化、均勻化與致密化。目前，這種加工工藝方法在鋁合金或鎂合金等的細(xì)晶超塑性材料制備方面取得了大量的成果。但從目前的研究現(xiàn)狀來看，除了少部分低熔點(diǎn)合金(如AZ31)可實(shí)現(xiàn)材料顯微結(jié)構(gòu)的納米化之外，鋁合金與鎂合金實(shí)現(xiàn)納米化較困難。因此，許多研究者開始提出一些基于攪拌摩擦加工的工藝方法，比如水浸FSP、多道次FSP等，通過這些方法可盡一步細(xì)化晶粒尺寸，進(jìn)而達(dá)到改善材料性能的目的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
:本專利技術(shù)為了制備鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)合金的超細(xì)晶/納米晶板材，提出板材背面無支撐技術(shù)與超聲聲空化效應(yīng)相結(jié)合的半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法。該方法的攪拌加工工具由不旋轉(zhuǎn)軸肩與高速旋轉(zhuǎn)的攪拌針組成。在加工過程，可振動(dòng)的攪拌針發(fā)出超聲波并對(duì)處于半固態(tài)下的金屬材料產(chǎn)生聲空化效應(yīng)，起到細(xì)化晶粒的目的；與常規(guī)攪拌摩擦加工不同，在加工過程中待加工板材的背面無需墊板等結(jié)構(gòu)來支撐，可進(jìn)一步加強(qiáng)超聲波的振動(dòng)作用并細(xì)化晶粒。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案是:，具體采用以下步驟:步驟一、將待加工板材水平放置在墊板上并固定好，其中墊板結(jié)構(gòu)由墊板與多個(gè)等尺寸的墊塊組成，在加工過程中，利用墊塊相對(duì)位置的變化實(shí)現(xiàn)攪拌針正下方懸空；步驟二、攪拌工具以1000 7000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速扎入板材表面且穿透板材，可根據(jù)待加工板材加工過程中溫度的具體情況來選擇攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度，使板材達(dá)到半固態(tài)；攪拌工具的扎入速度為I 5mm/分，直到不旋轉(zhuǎn)軸肩的端面與板材上表面接觸后，沿垂直板材表面的方向繼續(xù)下壓0.1 0.3mm ;軸肩不旋轉(zhuǎn),且軸肩直徑為3 5倍的板材厚度；步驟三、超聲換能器的超聲波通過與超聲變幅桿相聯(lián)的攪拌針直接傳遞到待加工區(qū)域，超聲波的參數(shù)如下:頻率為40 80K以及振幅為20 60 μ m，可根據(jù)待加工板材的具體情況來選擇超聲波的頻率，使加工及其附近區(qū)域的晶粒得到充分細(xì)化，利用超聲波在半固態(tài)材料中傳播時(shí)產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)細(xì)化晶粒的效果；步驟四、當(dāng)攪拌工具達(dá)到設(shè)定的下扎深度時(shí)，攪拌針停止下扎且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)3 8分鐘，進(jìn)行材料預(yù)熱，可根據(jù)待加工板材加工過程中的溫度的具體情況來選擇攪拌針的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)間，使板材的待加工區(qū)域得到充分的預(yù)熱，使板材更容易達(dá)到半固態(tài)；然后攪拌工具以50 500mm/分的速度沿著板材縱向方向從左至右往返梯次向前運(yùn)動(dòng),直到整個(gè)板材表面加工完畢為止；可根據(jù)待加工板材加工過程中的溫度的具體情況來選擇攪拌工具的移動(dòng)速度，使板材達(dá)到半固態(tài)。所述的攪拌工具包括攪拌針、超聲換能器、不旋轉(zhuǎn)軸肩及超聲變幅桿。超聲換能器固定在超聲變幅桿上。超聲變幅桿固定在攪拌針上。攪拌針由連接在一起的主攪拌針和輔助攪拌針組成。不旋轉(zhuǎn)軸肩套裝在主攪拌針上。主攪拌針為錐形體且表面由鋸齒狀結(jié)構(gòu)組成，最大根部直徑為1.2 1.5倍板材厚度且錐角小于5° ;輔助攪拌針為錐形體，最大直徑為主攪拌針直徑的1.3 2倍，輔助攪拌針上表面兩母線的最大夾角為140° 160°，輔助攪拌針下表面兩母線的最大夾角為90° 120° ;主攪拌針最大直徑處(根部)到輔助攪拌針的最小距離比板厚大于0.2 0.5mm，且主攪拌針最大直徑處(根部)到輔助攪拌針的最大距離與最小距離之差比墊塊厚度小2 6mm ;墊塊的寬度是主攪拌針最大直徑的I 4倍；在加工過程中，板材懸空區(qū)域的寬度與輔助攪拌針最大直徑的差比主攪拌針的最大直徑大4 20mm。本專利技術(shù)的有益效果:一、在加工過程中，被加工材料達(dá)到半固態(tài)，是一種半固態(tài)攪拌摩擦加工方法，與常規(guī)攪拌摩擦加工方法不同。為使材料達(dá)到半固態(tài)，攪拌針需高速旋轉(zhuǎn)，使具有更小粘度的半固態(tài)材料經(jīng)歷更大的應(yīng)變以及應(yīng)變速率，以利于晶粒細(xì)化。二、在加工過程中，攪拌針高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱量，不旋轉(zhuǎn)攪拌針面向出現(xiàn)液化成份的材料表面施加超聲波振動(dòng)，利用超聲波在半固態(tài)材料中傳播時(shí)產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)細(xì)化晶粒。三、攪拌針由主攪拌針與輔助攪拌針兩部分組成，主攪拌針主要位于板材內(nèi)部，輔助攪拌針位于板材之外。在加工過程中，攪拌針扎穿板材，可實(shí)現(xiàn)板材沿厚度方向的晶粒細(xì)化，使鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)金屬板材的整體超細(xì)晶/納米晶化成為可能。四、在加工過程中軸肩不旋轉(zhuǎn)，因此不會(huì)產(chǎn)生弧紋等結(jié)構(gòu)，不僅使加工后的材料后處理工作簡(jiǎn)單，還會(huì)減少材料的浪費(fèi)。五、在加工過程中，基于背部無支撐技術(shù)使待加工金屬材料區(qū)域下方懸空，可進(jìn)一步提聞超聲波的振動(dòng)作用，細(xì)化晶粒。附圖說明圖1是攪拌工具的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為攪拌針處的局部放大圖。圖3是本專利技術(shù)的工作過程示意圖。圖4是攪拌摩擦加工過程攪拌針與板材的位置關(guān)系示意圖。圖中:1.超聲換能器，2.超聲變幅桿，3.不旋轉(zhuǎn)軸肩，4.主攪拌針，5.輔助攪拌針，6.攪拌針，7.攪拌工具，8.板材，9.墊板，10.墊塊。具體實(shí)施例方式實(shí)施例一如圖1-圖4所示:所述的攪拌工具7包括攪拌針6、超聲換能器1、不旋轉(zhuǎn)軸肩3及超聲變幅桿2。超聲換能器I固定在超聲變幅桿2上。超聲變幅桿2固定在攪拌針6上。攪拌針6包括連接在一起的主攪拌針4和輔助攪拌針5。不旋轉(zhuǎn)軸肩3套裝在主攪拌針4上。主攪拌針4為錐形體且表面由鋸齒狀結(jié)構(gòu)組成，最大根部直徑d2為1.3倍板材厚度T且錐角小于5° ;輔助攪拌5針為錐形體，最大直徑d3為主攪拌針直徑d2的1.6倍，輔助攪拌針5上表面兩母線的最大夾角β為150°，輔助攪拌針5下表面兩母線的最大夾角α為100° ;主攪拌針最大根部直徑d2處到輔助攪拌針5的最小距離H1比板厚T大于0.3mm,且主攪拌針最大根部直徑d2處到輔助攪拌針的最大距離H2與最小距離之差H1比墊塊厚度H3小4mm;墊塊的寬度W2是主攪拌針最大直徑d2的3倍；在加工過程中，板材8懸空區(qū)域的寬度W1與輔助攪拌針最大直徑d3的差比主攪拌針的最大直徑d2大12_。本實(shí)施例所述的是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的:步驟一、為了板材8整體的超細(xì)晶/納米化，必須滿足如下條件:攪拌針6扎穿板材8。因此，為避免因攪拌針6與墊板之間的接觸而造成的攪拌針6的損壞，攪拌針6正下方區(qū)域應(yīng)懸空，即背面無支撐技術(shù)。將待加工板材8水平放置在設(shè)計(jì)的墊板結(jié)構(gòu)9、10上并固定好；其中墊板結(jié)構(gòu)由墊板9與多個(gè)等尺寸的墊塊10組成；在加工過程中，利用墊塊10相對(duì)位置的變化實(shí)現(xiàn)攪拌針6正下方懸空；步驟二、攪拌針6以5000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速扎入板材8表面且穿透板材8，扎入速度為3mm/分，直到不旋轉(zhuǎn)軸肩3的端面與板材8上表面接觸后，沿垂直板材8表面的方向繼續(xù)下壓0.2mm ;固定軸肩3不旋轉(zhuǎn)，且軸肩直徑(I1為4倍的工件厚度T ；步驟三、超聲換能器I的超聲波通過與超聲變幅桿2相聯(lián)的攪拌針6直接傳遞到待加工區(qū)域，超聲波的參數(shù)如下:頻率為60K以及振幅為45 μ m本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝制備超細(xì)晶/納米晶板材的方法，具體采用以下步驟：?步驟一、將待加工板材水平放置在墊板上并固定好,其中墊板結(jié)構(gòu)由墊板與多個(gè)等尺寸的墊塊組成,在加工過程中，利用墊塊相對(duì)位置的變化實(shí)現(xiàn)攪拌針正下方懸空；?步驟二、攪拌工具以1000～7000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速扎入板材表面且穿透板材，扎入速度為1～5mm/分，直到不旋轉(zhuǎn)軸肩的端面與板材上表面接觸后，沿垂直板材表面的方向繼續(xù)下壓0.1～0.3mm；軸肩不旋轉(zhuǎn)，且軸肩直徑為3～5倍的板材厚度；?步驟三、超聲換能器的超聲波通過與超聲變幅桿相聯(lián)的攪拌針直接傳遞到待加工區(qū)域，超聲波的參數(shù)如下:頻率為40～80K以及振幅為20～60μm；?步驟四、當(dāng)攪拌工具達(dá)到設(shè)定的下扎深度時(shí)，攪拌針停止下扎且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)3～8分鐘，進(jìn)行材料預(yù)熱，然后攪拌工具以50～500mm/分的速度沿著板材縱向方向從左至右往返梯次向前運(yùn)動(dòng)，直到整個(gè)板材表面加工完畢為止。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：姬書得，高雙勝，岳玉梅，李亮，張利國(guó)，呂贊，馬秩男，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：沈陽航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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