一种搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的方法及其加工装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的方法及其加工装置，包括以金属材料为板材，对所述的板材表面进行搅拌摩擦加工，所述的搅拌摩擦加工过程中能够使得板材中产生孔洞，其特征在于，调节搅拌摩擦加工的参数，控制所述孔洞的产生，制备具有贯穿型孔和/或非连续孔的多孔金属材料，所述的贯穿型孔和/或非连续孔的孔径可控，所述的多孔金属材料的平均孔径为1～3mm。制备的多孔金属材料孔的类型和孔的位置分布可以根据不同加工装置和加工方法获得。本方法操作简单、工艺稳定、可控性强。

A Method of Fabricating Porous Metal Materials by Friction Stir Machining and Its Processing Device

The invention discloses a method and a processing device for preparing porous metal materials by friction stirring processing, which includes friction stirring processing on the surface of the plate with metal materials as plates. The process of friction stirring processing can cause holes in the plate, and its characteristics are as follows: adjusting the parameters of friction stirring processing, controlling the generation of the holes, and preparing the holes. Porous metal materials with perforated and/or discontinuous holes have controllable pore sizes. The average pore sizes of the porous metal materials are 1-3 mm. The pore type and location distribution of porous metal materials can be obtained according to different processing devices and methods. The method is simple, stable and controllable.

【技术实现步骤摘要】
一种搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的方法及其加工装置
本专利技术属于多孔材料制备
，具体涉及一种搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的方法及其加工装置。
技术介绍
多孔金属材料是20世纪40年代发展起来的一种新型材料，由金属基体和大量孔组成，孔又将金属基体分割成许多小单元，具有与传统材料不同的新型结构。多孔金属材料兼具结构和功能双重属性。作为结构材料，它具有轻质、高比强的特点；作为功能材料，它具有吸能减震、消声降噪、电磁屏蔽、透气透水和隔热换热的特色。因此，多孔金属材料在航空航天、交通运输、建筑、机械、电化学、环境保护等领域具有广泛应用。多孔金属材料制备的主要方法有：铸造法、沉积法、化学反应法和烧结法。其中，铸造法又分为直接吹气法、熔体发泡法、渗流法和金属-气体定向凝固法等。以上方法制备的多孔金属材料都具有各自的缺陷，比如：孔位置及孔径不可控、孔形状不可控、工艺复杂、成本较高等。
技术实现思路
为了克服上述技术存在的缺陷和不足，本专利技术的目的是提供一种搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的方法及其加工装置，以克服传统多孔金属材料制备方法存在的问题，获得吸声、隔声性能优异的多孔金属材料。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的方法，包括以金属材料为板材，对所述的板材表面进行搅拌摩擦加工，所述的搅拌摩擦加工过程中能够使得板材中产生孔洞，其特征在于，调节搅拌摩擦加工的参数，控制所述孔洞的产生，制备具有贯穿型孔和/或非连续孔的多孔金属材料，所述的贯穿型孔和/或非连续孔的孔径可控，所述的多孔金属材料的平均孔径为1～3mm。进一步地，所述的搅拌摩擦加工的参数为：旋转速度为300～1500rpm，前进速度为23.5～120mm/min，轴肩压下量为0.1～0.2mm。具体地，所述的搅拌摩擦加工路线包括多道次加工路线或局部加工路线，所述的多道次加工路线制备含有贯穿型孔的多孔金属材料，包括蛇形和/或漩涡形，所述的局部路线制备含有非连续孔的多孔金属材料。具体地，所述的板材包括铝、镁、钢、钛或铜，所述的板材宽度为100～2000mm，长度为100～3000mm，厚度为2～30mm。优选的，具体包括：选用AZ31镁合金为板材，对所述的板材表面进行搅拌摩擦加工；搅拌摩擦加工的参数为：旋转速度为950rpm，前进速度为23.5mm/min，轴肩压下量为0.2mm。优选的，具体包括：选用6061铝合金为板材，对所述的板材表面进行搅拌摩擦加工；搅拌摩擦加工参数为：旋转速度为1180rpm，前进速度为30mm/min，轴肩压下量为0.1mm。优选的，具体包括：选用TA1钛合金为板材，对所述的板材表面进行搅拌摩擦加工；搅拌摩擦加工参数为：旋转速度为600rpm，前进速度为50mm/min，轴肩压下量为0.2mm。一种搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的加工装置，所述的加工装置实现本专利技术所述的多孔金属材料的加工方法，包括依次连接的轴肩和搅拌针，所述的轴肩为圆柱形，所述的轴肩直径为10～20mm；所述的搅拌针为圆柱形、圆锥形或圆台形，所述的圆柱形搅拌针直径为4～8mm，长度为1～15mm；所述的圆锥形搅拌针根部直径为4～8mm，长度为1～15mm；所述的圆台形搅拌针根部直径为4～8mm，顶部直径为2～6mm，长度为1～15mm。具体地，所述的加工装置材质为马氏体不锈钢、中碳钢、高碳钢、工具钢或高温合金。本专利技术与现有技术相比具有以下技术效果：搅拌摩擦加工过程中能够产生孔洞，孔洞对于一般的搅拌摩擦加工技术应用而言属于技术缺陷，且孔洞的大小不可控。而本申请恰恰利用了这一缺陷来制备多孔金属材料，将技术缺陷转变为技术优势，突破了搅拌摩擦加工
的一般技术认知，将搅拌摩擦加工技术应用到多孔金属材料的制备领域，属于本申请的首创技术成果。本专利技术克服了传统多孔金属材料制备方法存在的孔洞位置不可控、工艺复杂、成本较高等突出问题。通过采用特殊形状的搅拌头以及特定加工参数的组合对多孔金属材料的孔类型、位置和尺寸进行调控。具有适用范围广、可控性较强、工艺稳定、操作简单、成本低、适合工业化流水线生产、节能环保、无污染等优点，且制成的多孔金属材料具有较好的吸声、隔声性能。附图说明图1是搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的方法的工艺流程图；图2是搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的加工装置中搅拌针示意图，其中a表示圆柱形搅拌针、b表示圆锥形搅拌针、c表示圆台形搅拌针；图3是搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的加工装置中轴肩的示意图，其中a表示具有直线形凸出的轴肩、b表示具有“C”形凸出的轴肩、c表示具有“S”形凸出的轴肩；图4是实施例1中AZ31多孔镁合金材料的贯穿型孔截面图；图5是实施例2中6061多孔铝合金材料的非连续孔截面图；图6是实施例1中AZ31多孔镁合金材料的吸声性能图；图7是实施例2中6061多孔铝合金材料的吸声性能图。具体实施方式搅拌摩擦加工技术是一种新型剧烈塑性变形技术。在加工过程中，通过高速旋转的搅拌头和工件之间的热塑性变形作用，使加工区域发生动态再结晶，形成均匀等轴状的细晶再结晶组织。目前，搅拌摩擦加工过程中能够产生不可控的孔洞。不可控的孔洞对于一般的搅拌摩擦加工技术的应用而言属于技术缺陷，孔洞的大小及形状均无法控制。而本申请恰恰利用了这一缺陷来制备多孔金属材料，通过控制搅拌摩擦加工的参数，以及采用特定形状的加工装置，将技术缺陷转变为技术优势，克服了技术偏见，突破了搅拌摩擦加工
的一般技术认知，将搅拌摩擦加工技术应用到多孔金属材料的制备领域，属于本申请的首创技术成果。本专利技术所制备的多孔金属材料是指利用特殊形状的加工装置并在特定加工参数组合下，对金属材料板材进行整体多道次或选区局部搅拌摩擦加工，从而获得贯穿型孔和/或非连续孔的多孔金属材料。整体多道次加工是指加工装置连续工作，不离开金属板材，重复多次搅拌摩擦加工。贯穿型孔是指随着搅拌摩擦加工路线而在金属板材内产生整体连续贯穿金属板材的孔；非连续孔是指局部搅拌摩擦加工时，在金属板材表面产生的孔不连续。也可通过变换搅拌针长度在不同水平面上进行多道次搅拌摩擦加工来制备三维孔结构，也可以采用局部选区搅拌摩擦加工来制备目标区域的非连续型多孔结构，也可以采用搅拌摩擦线性加工、点加工及其组合模式来制备可控的贯穿型多孔结构。在加工装置和金属板材的摩擦热和塑性变形热的共同作用下，金属发生塑性流动。由于受到特殊形状搅拌针对金属塑性流动的回填阻碍作用，金属塑性流动回填不完整，最终在目标加工区域形成孔结构。遵从上述技术方案，本专利技术提出的一种搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的方法包括：在制备多孔金属材料时的原料选择及预处理、加工装置的原料选择及设计和加工参数设置具体为：原料选择及预处理：金属板材为可进行搅拌摩擦加工的材料，如常见的铝、镁、钢、钛、铜等，尺寸为(100～2000)×(100～3000)×(2～30)mm(宽×长×厚)；加工前利用砂纸对金属板材表面打磨，使表面粗糙度Ra≤10μm，并用丙酮清洗打磨后的表面，除去金属板材表面的油污、氧化物和杂质并烘干。加工装置的原料选择及设计：加工装置的材质主要是马氏体不锈钢、中碳钢、高碳钢、工具钢和高温合金。加工装置包括依次连接的轴肩和搅拌针，所述的轴肩为圆柱形，轴肩直径为10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的方法，包括以金属材料为板材，对所述的板材表面进行搅拌摩擦加工，所述的搅拌摩擦加工过程中能够使得板材中产生孔洞，其特征在于，调节搅拌摩擦加工的参数，控制所述孔洞的产生，制备具有贯穿型孔和/或非连续孔的多孔金属材料，所述的贯穿型孔和/或非连续孔的孔径可控，所述的多孔金属材料的平均孔径为1～3mm。

【技术特征摘要】
1.一种搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的方法，包括以金属材料为板材，对所述的板材表面进行搅拌摩擦加工，所述的搅拌摩擦加工过程中能够使得板材中产生孔洞，其特征在于，调节搅拌摩擦加工的参数，控制所述孔洞的产生，制备具有贯穿型孔和/或非连续孔的多孔金属材料，所述的贯穿型孔和/或非连续孔的孔径可控，所述的多孔金属材料的平均孔径为1～3mm。2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的方法，其特征在于，所述的搅拌摩擦加工的参数为：旋转速度为300～1500rpm，前进速度为23.5～120mm/min，轴肩压下量为0.1～0.2mm。3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的方法，其特征在于，所述的搅拌摩擦加工路线包括多道次加工路线或局部加工路线，所述的多道次加工路线制备含有贯穿型孔的多孔金属材料，包括蛇形和/或漩涡形，所述的局部路线制备含有非连续孔的多孔金属材料。4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的方法，其特征在于，所述的板材包括铝、镁、钢、钛或铜，所述的板材宽度为100～2000mm，长度为100～3000mm，厚度为2～30mm。5.根据权利要求1所述的搅拌摩擦加工制备多孔金属材料的方法，其特征在于，具体包括：选用AZ31镁合金为板材，对所述的板材表面进行搅拌摩擦加工；搅拌摩擦加工的参数为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文，韩鹏，彭湃，乔柯，王快社，张婷，刘强，陈善勇，强菲，罗雷，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61