一种利用搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种利用搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的方法，包括将金属基复合材料的增强体与基材粉末混合，根据搅拌摩擦设备搅拌头中搅拌针和轴肩的尺寸，利用铣刀在纯金属模具上开出宽度大于搅拌针直径、深度大于搅拌针长度的凹槽；将增强体与基材粉末混合物加入凹槽内并最大程度压实，在专用搅拌摩擦焊机加工区域，使搅拌头的搅拌针中心对准凹槽中心在多道次变搅拌头转速加工方案下制备,在复合板材加工区凹槽处获得金属基复合材料，所得金属基复合材料增强体均匀分布，力学与摩擦磨损性能优异。本发明专利技术能够自动化制备多种不同种类金属基复合材料，而不需要为不同种金属和增强体试验确定特定工艺参数，适用范围广。适用范围广。适用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种利用搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的方法及应用


[0001]本专利技术涉及到金属基复合材料制备
，特别涉及到一种利用槽宽大于搅拌针直径的搅拌摩擦加工技术制备金属基复合材料的方法及其应用。

技术介绍

[0002]金属基复合材料可同时具备质量轻、强度高和刚度大等力学性能特点，广泛应用在航空航天、汽车制造、电子电力、生物制药、体育等行业中；金属基多为铝、镁、铜及其合金，也有高熵合金、钛合金等熔点很高的基材。具有固相加工特点的搅拌摩擦加工工艺已发展一段时间，现有的搅拌摩擦加工工艺应用于金属基复合材料的制备有两大特点，第一、金属板材作为基材，即金属板材便是金属基；第二、在金属板材上开孔或凹槽(孔直径或凹槽宽度远小于搅拌针直径，孔或凹槽深度远小于搅拌针长度)，并且仅仅在孔或凹槽中添加增强体，通过搅拌摩擦加工方法将增强体混入金属板材中，形成金属基复合材料。特别是现有的搅拌摩擦加工制备方法针对不同种金属基复合材料还不够成熟，当面对不同种金属基复合材料的搅拌摩擦加工制备方法，每次都需要重新通过试验确定相关搅拌摩擦工艺参数，因此导致现有的搅拌摩擦加工工艺在制备金属基复合材料方面适用范围受限。因此，本专利技术希望在现有的搅拌摩擦加工工艺基础上进行改进，开发出一种适用范围更广、应用更方便的多种金属基复合材料的制备方法，并扩大其应用范围。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种利用搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的方法，包括以下步骤：
[0004](1)将金属基复合材料的增强体与基材粉末混合，达到增强体在基材粉末中宏观均匀混合以及增强体与基材粉末紧密结合效果；所述的增强体与基材粉末的粒径小于等于100微米；
[0005](2)根据搅拌摩擦设备搅拌头中搅拌针和轴肩的尺寸，利用铣刀在纯金属模具上开出宽度大于搅拌针直径、深度大于搅拌针长度的凹槽；将增强体与基材粉末混合物加入凹槽内并最大程度压实，而后在凹槽上盖一与模具材质相同的纯金属盖板，二者构成复合板材结构；所述的模具材质选择与所制备金属基复合材料的基材相同的材质；盖板主要是为了防止搅拌摩擦加工过程中增强体与基材粉末不外溢；加工时，使用夹具将盖板压在模具表面上即可；
[0006](3)在专用搅拌摩擦焊机加工区域，使搅拌头的搅拌针中心对准凹槽中心，搅拌针穿过盖板，在多道次变搅拌头转速加工方案下制备,在复合板材加工区凹槽处获得金属基复合材料，所得金属基复合材料增强体均匀分布，力学与摩擦磨损性能优异。
[0007]所述增强体与基材粉末均匀紧密混合过程通过变速球磨工艺完成，先通过低速球磨使得增强体与基材粉末相互均匀混合和粘结，所述的低速球磨工艺窗口：球磨转速100
‑
200转/分钟，球磨时间大于4小时；然后再通过高速球磨使得粉末之间紧密结合，所述的高
速球磨工艺窗口：球磨转速大于200转/分钟，球磨时间小于4小时。
[0008]所述增强体与基材粉末均匀紧密混合方法不局限与变速球磨，也可采用其他工艺，如混料机混合、磁力搅拌等，只要能实现增强体与基材粉末混合均匀且结合紧密即可。
[0009]根据不同增强体使用不同材质的搅拌头，包括但不限于：增强体为碳化硅时，使用钨钢搅拌头，制备出的碳化硅金属基复合材料组织细密，性能优异。
[0010]所述复合板材结构的构建步骤如下：
[0011]1)根据搅拌头尺寸确定采用模具板材尺寸和所开凹槽尺寸。本专利技术中，模具厚度比搅拌针长度大1.5毫米以上，模具宽度为搅拌头轴肩直径的三倍以上，模具长度不小于100毫米；凹槽的宽度比搅拌针直径大1
‑
3毫米，凹槽的深度比搅拌针长度大0.5毫米以上；
[0012]2)根据步骤1)确定的模具板材尺寸，采用数控铣床在板材上铣削获得凹槽；去除凹槽中的毛刺，表面粗糙度不低于Ra6.3；
[0013]3)在凹槽中添加混合粉末，压实成块状，如图15所示；压实后，在其上放置一与模具板材相同材质的厚度为2
‑
3毫米的盖板，构成复合板材结构，所述的盖板的长度和宽度与模具板材相同。
[0014]所述混合粉末压实方法，实验阶段可采用手压实，在批量生产阶段可采用机械振动等智能自动化压实技术。
[0015]所述搅拌头形貌在接近轴肩处优选为光滑圆柱，避免加工过程中混合粉末飞溅。
[0016]所述多道次变搅拌头转速加工方案至少包括一道次高搅拌头转速道次工艺和一道次低搅拌头转速道次工艺；所述的高搅拌头转速道次工艺窗口为：搅拌头转速大于等于2000转/分钟，加工速度40
‑
200毫米/分钟，搅拌头倾角2
°‑3°
，下压量0.2
‑
0.8毫米；所述的低搅拌头转速道次工艺窗口：搅拌头转速800
‑
1200转/分钟，加工速度40
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200毫米/分钟，搅拌头倾角2
°‑3°
，下压量0.2
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0.8毫米。具体所需加工道次由搅拌头材料、金属基种类决定，先采用一道次高搅拌头转速道次工艺，使得粉末粘结成型，一道次加工过后，根据匙孔处是否有宏观缺陷来确定是否增加一道次高搅拌头转速道次工艺，如果有宏观缺陷，则增加一道次高搅拌头转速道次工艺，如图图16所示；如果没有宏观缺陷，再采用一道次低搅拌头转速道次工艺，细化显微组织。一般，搅拌头材料为热作模具钢，3道次加工即可成功制备碳化硅/石墨烯铝基、镁基等轻合金金属基复合材料，包括2道次高搅拌头转速道次工艺和1道次低搅拌头转速道次工艺。
[0017]本专利技术提供的利用搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的方法用于制备纯金属基复合材料，或合金金属基复合材料，或增强体与纯金属基混合的复合材料，或高熔点金属基复合材料；所述的纯金属基包括但不限于铝、镁、铜；所述的增强体包括但不限于碳化硅或石墨烯；所述的高熔点金属包括但不限于高熵合金、钛合金，当用于制备高熔点金属基复合材料时，搅拌头采用能够承受1500℃以上高温的材料。
[0018]本专利技术的有益效果：
[0019]本专利技术所述的一种利用搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的方法，能够自动化制备多种不同种类金属基复合材料，而不需要为不同种金属和增强体试验确定特定工艺参数，适用范围广；制备过程不会产生粉尘等工艺污染，绿色环保低碳；增强体含量连续可控，可制备连续比例质量分数增强体含量金属基复合材料，如含0
‑
50％质量分数增强体金属基复合材料；制备所得金属基复合材料晶粒尺寸可达纳米级(小于1000纳米)，颗粒增强体可
得到细化，细化后尺寸为原颗粒增强体尺寸的1/5
‑
1/10。与常规搅拌摩擦加工技术相比，本专利技术特点有：一、金属板材不是基材而是模具，其种类不需特别指定，开槽尺寸远大于搅拌针的目的是使得模具材料不混入所制备的金属基复合材料中；二、增强体与金属基材均是粉体，可在搅拌摩擦加工之前，采用高能球磨等工艺混合粉末，先行实现增强体与金属基材较为均匀地紧密包裹结合，有利于搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将金属基复合材料的增强体与基材粉末混合，达到增强体在基材粉末中宏观均匀混合以及增强体与基材粉末紧密结合效果；所述的增强体与基材粉末的粒径小于等于100微米；(2)根据搅拌摩擦设备搅拌头中搅拌针和轴肩的尺寸，利用铣刀在纯金属模具上开出宽度大于搅拌针直径、深度大于搅拌针长度的凹槽；所述的模具的材质与所制备金属基复合材料的基材相同；将增强体与基材粉末混合物加入凹槽内并最大程度压实，而后在凹槽上盖一与模具材质相同的纯金属盖板，二者构成复合板材结构；(3)在专用搅拌摩擦焊机加工区域，使搅拌头的搅拌针中心对准凹槽中心在多道次变搅拌头转速加工方案下制备,在复合板材加工区凹槽处获得金属基复合材料。2.根据权利要求1所述的一种利用搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的方法，其特征在于：所述的增强体与基材粉末混合过程通过变速球磨工艺完成，先通过低速球磨使得增强体与基材粉末相互均匀混合和粘结，所述的低速球磨工艺窗口：球磨转速100
‑
200转/分钟，球磨时间大于4小时；然后再通过高速球磨使得粉末之间紧密结合，所述的高速球磨工艺窗口：球磨转速大于200转/分钟，球磨时间小于4小时。3.根据权利要求1所述的一种利用搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的方法，其特征在于：所述的增强体与基材粉末的混合方法包括但不限于变速球磨、混料机混合或磁力搅拌，使增强体与基材粉末混合均匀且结合紧密。4.根据权利要求1所述的一种利用搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的方法，其特征在于：根据不同增强体使用不同材质的搅拌头，包括但不限于：增强体为碳化硅或石墨烯时，使用钨钢搅拌头或热作模具钢搅拌头。5.根据权利要求1所述的一种利用搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的方法，其特征在于：所述复合板材的构建步骤如下：1)根据搅拌头尺寸确定采用模具板材尺寸和所开凹槽尺寸，模具厚度比搅拌针长度大1.5毫米以上，模具宽度为搅拌头轴肩直径的三倍以上，模具长度不小于100毫米；凹槽的宽度比搅拌针直径大1
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3毫米，凹槽的深度比搅拌针长度大0.5毫米以上；2)根据步骤1)确定的模具板材尺寸，采用数控铣床在板材上铣削获得凹槽；去除凹槽中的毛刺，表面粗糙度不低于Ra6.3；3)在凹槽中添加混合粉末，压实后，在其上放置一与模具板材相同材质的厚度为2
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3毫米的盖板，构成复合板材结构，所述的盖板的长度和宽度与模具板材相同。6.根据权利要求1所述的一种利用搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的方法，其特征在于：所述搅拌头形貌在接近轴肩处为光滑圆柱。7.根据权利要求1所述的一种利用搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的方法，其特征在于：所述多道次变搅拌头转速加工方案至少包括一道次高搅拌头转速道次工艺和一道次低搅拌头转速道次工艺；所述的高搅拌头转速道次工艺窗口为：搅拌头转速大于等于2000转/分钟，加工速度40
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200毫米/分钟，搅拌头倾角2
°‑3°
，下压量0.2

【专利技术属性】
技术研发人员：朱先勇，樊跃香，谢良稳，姜城，肖雄，王晨，孙照学，张津源，吕长春，彭惠明，宋鹏，赵家立，杨嵩，欧希斌，宋雨来，刘家安，罗彦茹，刘明达，徐衍衡，徐浩然，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：