通过搅拌摩擦加工和搅拌摩擦混合的材料固态处理制造技术

使用一种可以进行搅拌摩擦加工、搅拌摩擦混合或搅拌摩擦焊接的工具，在工件上进行固态加工，其中在某些实施方案中，固态加工可在基本上保持固相的情况下改变工件的性质，在另外一些实施方案中，允许一些元素经过液相，其中改变的材料性质包括（但不限于）微观结构、宏观结构、韧性、硬度、晶界、晶粒尺寸、相分布、延展性、超塑性、成核位置密度变化、可压缩性、可膨胀性、摩擦系数、抗磨损性、耐蚀性、耐疲劳性、磁性、强度、辐射吸收和导热性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及通过搅拌摩擦加工和搅拌摩擦混合的材料的固态加工。待解决问题的背景搅拌摩擦焊(以下称“FSW”)是一种开发用于焊接金属和金属合金的技术。FSW法常涉及在接头任一侧通过旋转搅拌针或搅拌轴，将两个相邻工件的材料接合。施加力促使搅拌轴和工件相互靠近，搅拌轴与工件相互作用产生的摩擦热会使接头任一侧的材料发生塑化。搅拌轴沿接头移动，随着搅拌轴的前进，使材料发生塑化，紧跟前进搅拌轴的塑化材料会冷却形成焊道。附图说明图1为用于摩擦搅拌焊工具的透视图，其特征在于大体为圆柱形的工具10，其具有轴肩(shoulder)12和从轴肩延伸出的搅拌针(pin)14。搅拌针14相对于工件16转动直至产生足够的热量，此时，工具的搅拌针被插入到塑化的工件材料中。工件16通常为两个在接头线18处邻接的薄板材或厚板材。搅拌针14在接头线18处被插入工件16。尽管该工具已在现有技术中公开，但这里要说明的是该工具可用于新目的。还应注意的是，术语“工件”和“母材”在本文中的使用可相互替换。搅拌针14相对工件材料16转动产生的摩擦热会引起工件材料软件但不会达到熔点。工具10沿接头线18横向运动，从而随着塑化材料沿搅拌针周围从前缘流动到后缘而产生焊缝。其结果是在接头线18处的固相结合20，与其它焊接相比，通常难以区分固相结合20与工件材料16本身。据观察，当轴肩12与工件表面接触时，其转动会产生额外的摩擦热，这种热会使插入的搅拌针14周围的更大圆柱形材料发生塑化。轴肩12提供了向前的力，其包含由工具搅拌针14引起的向上的金属流。在FSW过程中，待焊接区域与工具之间相对移动，从而工具可以越过所需的焊缝接头长度。转动的FSW工具提供连续的热加工作用，当其沿基体金属横向移动时，可以在一个狭窄区域内使金属塑化，同时从搅拌针的前面向后缘传送金属。随着焊接区域的冷却，由于当工具通过时没有产生液体，所以不存在凝固现象。通常(但并非总是)，在焊接区域形成的焊缝是无缺陷、再结晶、具有细晶粒微观结构。在转动速率为200到2000rpm时，行进速度典型为10到500mm/min。温度通常接近但低于固相线温度。搅拌摩擦焊的参数是材料热属性、高温流动应力和穿透深度的函数。搅拌摩擦焊与熔焊相比具有如下几个优势1)不存在填料金属；2)工艺可以完全自动化，对操作人员的技术水平要求相对低；3)由于所有加热均产生在工具/工件间的界面，能量输入有效；4)由于FSW的固态特性及极好的可重复性，所需焊后检查也最少；5)FSW可允许界面间隙，因此几乎不需要焊前准备；6)没有需要去除的焊接飞溅物；7)焊后表面光洁度可以特别平滑且几乎没有乃至没有毛刺；8)没有气孔及氧污染；9)几乎不产生以至不产生变形或包围材料；10)由于不产生有害排放物，所以操作人员不需要保护；和11)改善了焊缝性质。先前的专利文献已经说明了，可以对那些以前认为在功能上不可焊的材料进行搅拌摩擦焊的好处。这些材料中的部分材料是无法熔化焊接，或者根本就难以焊接。这些材料包括例如金属基复合材料，诸如钢或不锈钢的铁合金，及有色金属材料。另一类适合使用搅拌摩擦焊的材料为超级合金。超级合金可以是具有较高熔点的青铜或铝的材料，也可混有其它元素的材料。超级合金的一些实例如镍、铁镍及钴基合金，它们通常用于约1000度以上的温度。超级合金中常见的添加元素包括(但不限于)铬、钼、钨、铝、钛、铌、钽和铼。应当注意的是，钛也是搅拌摩擦焊的理想材料。钛是一种有色金属材料，但其熔点较其它有色金属材料高。先前的专利已指出，需要由某种材料形成的工具，该材料的熔化温度高于进行搅拌摩擦焊的材料。在一些实施方案中，工具中使用了超级研磨剂。本专利技术的实施方案主要涉及那些功能上不可焊的材料，以及超级合金，本文下文中将它们称为“高熔化温度”材料。与现有技术相比，利用搅拌摩擦焊的有利特性，并将其用于高熔化温度材料的搅拌摩擦加工的新领域中，这将是一种优势。材料的液态加工元素周期表概括并组织了元素，这些元素被工程师用于目前所有已开发和生产的材料中。每种元素均可依据温度和压力的不同，而以固态、液态或气态形式存在。从这些元素产生的固体材料，如金属性的铁合金、金属性的有色金属合金、金属基复合材料、金属间化合物、金属陶瓷、硬质合金、聚合物等经特定的加工以产生材料所需物理和机械性能。上面提到的每种固体材料类型的产生均是通过以某种方式将元素混合在一起，并施加热和/或压力，以便形成液体和/或液-固混合物。然后冷却该混合物以便形成最终的固体材料。所形成的固体材料将具有特有的微观晶体或粒状结构，该结构揭示了诸如加工特征、元素混合物的相、晶粒取向等中的一些。例如，低碳钢是由特定量的碳和铁(和微量元素一起)混合在一起，并加热混合物且到形成液体。该液体冷却并凝固后即形成钢。冷却速率、随后的热处理及机械加工将会影响钢的微观结构及其所得的性质。微观结构揭示了具有平均特定晶粒尺寸和形状的粒状结构。数十年的研究和工程已经了解并从多种元素中创造不同的材料，利用温度和机械加工产生所需的材料及机械性能。工程材料，如金属性的铁合金、金属性的有色金属合金、金属基复合材料、金属间化合物、金属陶瓷、硬质合金及其它材料均需要某种工艺，该工艺将某些或全部元素熔化在一起以形成固体。然而，使该液体向固相转变中会出现一些问题。例如，在液相阶段，温度和/或压力的作用时间常常成为关键变量。当一些元素与其它元素结合形成新相时，其中一些会溶入到亚混合物中，而另外一些则会析出。这种动态行为是元素溶解性、扩散性及热力学行为的复杂相互作用。由于这些复杂性，难以从一开始设计材料。相反，材料的开发要经历试验和误实验的过程。即使当确定了特定的元素组成时，液相加工仍可能具有大量工艺参数，这些参数可以改变最终固态材料的性质。在该液相阶段，时间、温度和压力在决定材料的特性中起着关键作用。混合物中结合的元素越多，液相加工越难以产生可预期的材料。随着混合物的凝固，会有不希望的相析出到固态结构中，可能形成有害的枝状结构，温度梯度可以产生晶粒尺寸梯度，且产生残余应力，该应力又会引起最终材料变形和不希望的特征出现。凝固缺陷，如开裂和孔隙是经常存在的问题，这些问题会防碍从前期液相形成材料的加工。所有这些问题结合在一起就会降低给定材料的机械性能和材料性质。材料性质的不可预见性会导致由该类材料制成的元件的可靠性的不可预见性。由于这些凝固问题及由其导致的缺陷，通常需要额外的机械和热加工以便恢复材料的一些所需的性质。这些工艺包括例如锻造、热轧、冷轧及挤出等。不幸的是，机械加工常造成材料具有不希望的方向性质，降低延展性，带来增加的残余应力并增加成本。热处理可用于释放残余应力，但是这些处理可以引起晶粒生长，并产生其它的畸变。通常，待加工材料的大尺寸会妨碍用于预防晶粒生长的较短处理时间。这些大块材料的热容也会在更长的时期内维持高的温度，其自身也会产生用于有害的大量晶粒生长的环境。不幸的是，通过淬火快速降低块体材料的温度再次成为问题，因为可能形成开裂和接近待形成材料拉伸强度的残余应力。因此应当清楚的是，当必需使用液相混合物产生固体材料时，设计和生产具有指定晶粒尺寸、晶粒尺寸分布和元素组成且具有所需范围的性质的材料为何如此困难。许多材料的生产商希望本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过搅拌摩擦加工改变母材性质的方法，所述方法包括以下步骤：１）提供高熔化温度的母材；２）提供搅拌摩擦加工工具，该工具包括熔化温度在其一部分上高于母材的材料；和３）搅拌摩擦加工该母材，从而改变其至少一种性质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯科特M帕克，理查德A弗拉克，拉塞尔J斯蒂尔，蒙特E拉塞尔，布赖恩E泰勒，
申请(专利权)人：SII米加钻石公司，先进金属产品公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]