全液态搅拌与半固态搅拌涂覆法制备复合管/涂层的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种全液态搅拌与半固态搅拌涂覆法制备复合管/涂层的方法及装置。在由覆层材料形成的全液态或半固态熔池中，利用高速旋转的陶瓷工具压入并搅拌液相，一方面搅拌液相使之混合均匀并沿管壁返流，另一方面通过旋转工具带动液相高速旋转，由此形成了对液相的搅拌，在液/固界面形成高速相对运动，有利于机械去膜与抑制IMC生长。本发明专利技术可用于制备复合管，也可用于小尺寸管筒内摩擦面的改质。

Method and Device for Preparing Composite Pipe/Coating by Full-liquid Stirring and Semi-solid Stirring Coating

【技术实现步骤摘要】
全液态搅拌与半固态搅拌涂覆法制备复合管/涂层的方法及装置
本专利技术涉及金属复合管/涂层制备，具体涉及一种全液态或半固态(含有固体颗粒的液相)挤压—搅拌涂覆制备复合管/涂层的方法(简称液相搅拌涂覆法，即liquidphasestircoating:LPScoating、或搅拌钎涂法)与装置。
技术介绍
钢材表面复合铝可以改善钢材的耐高温氧化腐蚀能力，且复合管的耐腐蚀层厚度比热浸方法所获得的耐蚀层厚、耐久性强(文献1)。同时，也比涂料类耐蚀层具有耐高温、耐冲刷磨损的优点。目前，复合管的主要制备方法有直接爆炸复合法、热挤压法、离心铸造法、焊接法(爆炸焊制板+轧制+螺旋成形+焊管)、机械配合法等(文献2)。机械配合法中，冷成型胀管法可以采用拉拔、旋压和滚压等方法使不锈钢紧贴在碳钢内壁上(文献2)。冷成型胀管法与热挤压法所得复合管界面是机械结合，在通过温度较高的介质时，因复合管内外层热膨胀系数的差异，容易鼓泡、松动或振动。爆炸复合法在炸药的热—力联合作用下，主要利用内覆层的变形与高速冲击获得冶金结合，但在“环评”与“安全管理”方面存在问题较多，此外易因天气等诸多外因引起质量波动。离心铸造法中，内管与外管均采用浇注方式成形，可获得冶金结合。离心铸造法具体是先将两层金属液依次浇入旋转的型筒(管模)中，在离心力作用下形成空心双金属管坯或半成品，再将复合坯(界面为冶金熔合)通过挤压工艺制成成品复合管，难点在于“易熔与分层”，其中二次浇注不易控制，外层易开裂(文献3)。采用的措施有：夹层间放置具有还原性的热熔剂，通过强烈的放热反应来熔化、还原并消除氧化膜，最终使两层间实现原子结合。同时，要控制好外层内表面温度及内层浇注温度；尤其是二次浇注时间要严格控制。离心铸造法中，内/外管界面间冶金结合对于大口径管易于实现，对于小口径管较为困难。对于大口径管，由于铸型中的热输入量大，两次浇注的金属容易实现冶金熔合，现场操作也比较容易(文献4)。例如，对于的复合管，只要控制好两次浇注温度，就可实现整管大部分的冶金结合。但对于小口径(例如)复合管，由于管壁薄、热输入量小，因此要实现整管的层间冶金结合非常困难。在二次浇注前，在型筒的冷端用压力风将Al-Si粉体送入已凝固的管内壁上.再进行二次浇注，这样一方面使第1层内壁上形成的氧化铁等氧化物还原成较轻的氧化铝。另一方面，利用Al-Si粉体氧化时产生的热量以及其它余热，将内表面的夹渣二次熔化，并充分利用离心力的作用.将这些较轻的杂质浮出于最内层表面，尽可能使层间实现冶金结合。离心铸造时过低的转速会出现金属液雨淋现象，也会使管坯内出现缩松、夹渣、管坯内表面凹凸不平等缺陷；转速太高，管坯容易出现裂纹、偏析等缺陷(文献5)，而双金属衬层厚度不均匀也是由于转速过高造成的，因此对管坯厚度不均匀缺陷和管坯基底层裂纹缺陷的防止主要集中在控制转速上。除了用复合管、涂料来改善金属的耐腐蚀性之外，表面改质也是改善基材耐蚀或耐磨能力的另一类通用方法。材料表面改质方法有电镀、热喷涂、等离子喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积等多种方法。电镀方法表面结合强度低、有一定污染。而热喷涂与沉积方法不适于小直径管材内壁防护层的制备。自2000年以来，作为英国焊接研究所1991年专利技术的搅拌摩擦焊(FSW：frictionstirwelding)技术应用的延伸，中外学者开展了利用“摩擦”的表面再制造修复、表面改质(frictionsurfacing)研究，如摩擦堆焊技术(文献6、7)、内壁摩擦涂层技术(文献8)等。2011年，日本的篠田刚提出利用摩擦现象进行表面改质的研究思路(文献8)。其针对发动机缸体提出的“摩擦内面涂层(利用摩擦现象在缸体内壁制备涂层)”实现表面改质的工艺包括以下步骤：(1)将“改质材”预置于缸体(基材)内底部，同时，使非消耗性工具(rod)旋转；(2)保持非消耗性工具一边旋转一边压入“改质材”，使改质材在摩擦热的作用下软化，随着工具的压入被软化的改质材发生塑性流动，在沿工具与缸体间隙返流的同时也被压向缸体内表面；(3)抽出保持旋转态的非消耗性工具，则在缸体的内壁通过摩擦获得由改质材构成的内涂层。该工艺(搅拌摩擦返挤法)是一种在全固态下，利用塑性流动制备内覆层的方法。其主要优点有：(1)能使改质材在短时间内形成厚膜；(2)所得厚膜为锻造组织，无铸造组织中的缩松、组织不均一、晶粒粗大等缺陷；(3)适于热喷涂等无法施工的小直径缸体内表面的改质；(4)适用于内层熔点较高的材质，如在发动机铝缸体内壁摩擦涂覆一层钢。但是，该工艺的缺点有：(1)不能直接沿缸体径向对返流层与缸体内表面施加垂直于界面的压力(直接施加水平方向的挤压力困难)，特别是当塑性流动金属已经绕过工具底部拐弯(倒角)处而垂直向上流动阶段。这将影响改质材/基材界面全固态焊接过程中的去膜与致密化。(2)申请者在此工艺的预研中还发现，小管径会限制基材内部搅拌工具的直径，搅拌工具的线速度小，摩擦产热与软化不足，导致固态下改质材塑性流动困难，造成返挤困难。(3)对原始改质材的尺寸与形状有较为严格的要求(优先用直径与管材内径相同的柱状体)，例如，当使用粉末态改质材料时，出现“扬粉”现象，造成金属粉末流失与粉尘污染。自2012年以来，国外一些研究人员提出了利用搅拌摩擦返挤(frictionstirbackextrusion)方法制备无缝管的技术方案，包括AZ31B镁合金管(文献9、10)、纯Cu管(文献11)、铝管(文献12)等。基于搅拌摩擦的改质方法还有申请者所在课题组于2009年提出的搅拌摩擦钎焊(FSB：frictionstirbrazing)制备双金属复合板的专利技术，目前已在板材复合方面取得了成功。由EI网检索结果可知，申请者撰写的介绍FSB的首篇英文论文在2011年11月～2019年5月间已被引用48次，仅2018年被美、欧、日等国外作者引用9次。近期申请者开展了将搅拌摩擦钎焊用于制备复合管方面的研究。但实验表明，FSB技术直接用于制备复合管技术难度很大，主要表现在：内管径向变形抗力大，影响界面去膜与界面致密化；工具设计要求复杂等。参考文献[1]H.D.Manesh,A.K.Taheri.Bondstrengthandformabilityofanaluminum-cladsteelsheet,J.Alloy.Compd.,2003,361:138-143.[2]凌星中.内复合双金属管制造技术.焊管,2001,24(2):43-46.[3]郭明海,庞于思,刘俊友.冶金熔合离心坯挤压双金属复合管生产工艺.铸造,2013,62(2):118-123.[4]黄建余,杨贵录,刘致远,etal.一种离心铸造复合管的研制[J].热加工工艺,2009,38(7):30-34.[5]王冬林,吴金辉,蔡彬,等.离心铸造双金属复合管缺陷及控制[J].特种铸造及有色合金,2018,38(3)：.[6]张彦华，韩华，刘雪梅.摩擦堆焊技术及应用.电焊机,2005,35(11):12-14.[7]陈家庆,焦向东,周灿丰,邱宗义,栾国红.新型材料成形加工技术——摩擦叠焊.焊接学报,2007,28(9):108-112.[8]篠田剛.摩擦利用による接合法と表面改質.轻金属溶接,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过液相搅拌制备金属复合管/涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：将旋转的搅拌工具压入管材内由覆层材料形成的全液态或半固态熔池中，使通过搅拌工具挤压反流而形成于管材内壁的液相覆层于液/固界面相对管材运动，实现通过搅拌摩擦对与液相覆层接触的位于管材内表面上的氧化膜进行机械破除，并在液/固界面的润湿与扩散反应中抑制金属间化合物的生长，或者，实现通过搅拌摩擦在液/固界面的润湿与扩散反应中抑制金属间化合物的生长；搅拌摩擦结束后将搅拌工具抽离管材并通过冷却使所述液相覆层固化，形成覆盖管材内壁的涂层或形成沿轴向覆盖管材内壁一定长度范围的涂层，即得到复合管或复合管段。

【技术特征摘要】
1.一种通过液相搅拌制备金属复合管/涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：将旋转的搅拌工具压入管材内由覆层材料形成的全液态或半固态熔池中，使通过搅拌工具挤压反流而形成于管材内壁的液相覆层于液/固界面相对管材运动，实现通过搅拌摩擦对与液相覆层接触的位于管材内表面上的氧化膜进行机械破除，并在液/固界面的润湿与扩散反应中抑制金属间化合物的生长，或者，实现通过搅拌摩擦在液/固界面的润湿与扩散反应中抑制金属间化合物的生长；搅拌摩擦结束后将搅拌工具抽离管材并通过冷却使所述液相覆层固化，形成覆盖管材内壁的涂层或形成沿轴向覆盖管材内壁一定长度范围的涂层，即得到复合管或复合管段。2.根据权利要求1所述一种通过液相搅拌制备金属复合管/涂层的方法，其特征在于：所述搅拌摩擦的过程中，管材沿与搅拌工具相反的方向旋转；搅拌工具在液相覆层冷却凝固过程中抽离管材并保持旋转。3.根据权利要求1所述一种通过液相搅拌制备金属复合管/涂层的方法，其特征在于：所述全液态或半固态熔池是通过在管材内加热熔化覆层材料而形成的，或者，所述全液态或半固态熔池是通过将熔化的覆层材料浇注入管材内而形成的。4.根据权利要求1所述一种通过液相搅拌制备金属复合管/涂层的方法，其特征在于：所述搅拌摩擦的过程分多个时段完成，在各时段之间使搅拌工具停止旋转。5.根据权利要求1所述一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张贵锋，周鼎，杨哲东，鲍建东，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61