[发明专利]中空送料摩擦头及金属材料表面复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊的摩擦头及焊接方法，尤其是一种利用搅拌摩擦加工制备金属材料表面复合材料的方法。

背景技术

随着科学技术的高速发展，对于结构材料的性能提出了更高的要求。其中一项重要需求是使材料在满足高塑、韧性的前提下，具有高硬度、高耐磨度等特点。这对于组分均一的材料来说是难以实现的，硬度、耐磨度的提高就会不可避免地使材料的塑韧性下降。因此有研究者提出，可以在具有高塑、韧性的金属材料表面进行增强相为硬质陶瓷颗粒的表面复合材料，这样就能够在保持基体高塑、韧性的前提下，得到表面硬度高、耐磨度高的材料。但目前金属基表面复合材料的制备方法大都工艺复杂，成本高昂。

搅拌摩擦加工(FSP)技术作为一种新的材料微观结构改性技术，已被成功应用到金属基复合材料的制备上。所谓搅拌摩擦加工(FSP)，即是将高速旋转的加工头压入材料表面毫米级深度，并沿材料表面方向行进，造成材料表面发生剧烈的塑性变形、混合和温升，从而实现表面材料的密化、细化和均匀化。

将FSP应用到金属基复合材料的制备上，其主要制备方法是将增强相颗粒预置在金属板材中，再进行搅拌摩擦加工。实验表明，颗粒的预置方式对于其在基体中的分布均匀性有极大影响。目前报导的预置方式有以下几种：(1)、将增强相颗粒直接铺在板材表面，这种方法简单、高效，但颗粒极易飞溅。(2)、在板材表面开一道具有一定宽度、深度的凹槽，再在其中添加增强相颗粒并压实，最后沿其长度方向进行搅拌摩擦加工。这种方法的主要问题在于随着搅拌针沿凹槽前进，凹槽内预置的增强相颗粒容易从槽内溢出。为了解决该问题，可在凹槽上加一层金属盖板，或者使用无搅拌针的加工头在凹槽上进行表面预处理，将增强颗粒封在凹槽中，防止后续加工时颗粒溢出。(3)、在紧贴金属板的下方，钻一平行于表面的深孔，在孔内装入增强相颗粒，并沿孔的深度方向进行搅拌摩擦加工。(4)、在材料表面开一系列点阵规律排布的盲孔，并将增强相预置在孔中，最后进行搅拌摩擦加工。

上述四种预置方式中，(1)的增强相分布均匀性较差，(2)、(3)的增强相分布均匀性有所改善，但仍不理想，(4)的增强相分布均匀性显著提高。分析可知：(1)的增强相分布均匀性差不难理解，在加工过程中大量颗粒会发生飞溅，不能很好地被加工头搅入基体内。(2)、(3)方式进行增强相预置时，即使不发生增强相颗粒的飞溅，搅拌针在将增强颗粒搅入基体的同时，也会将前方预置的颗粒向前推进、堆积，进而造成基体中增强相颗粒分布不均。以(4)方式进行颗粒预置，颗粒被离散地固定在各盲孔中，加工时就不会发生增强颗粒的推移，因此其增强相分布最为均匀。但由于(2)、(3)、(4)三种预置方法的工作量都很大，不适合实际生产应用中推广。

发明内容

本发明的目的是为解决FSP应用到金属基复合材料的制备上，需将增强相预置在待加工件中，导致待加工件在加工过程中，发生颗粒的飞溅及推移，使得增强相分布不均的问题，提供一种中空送料摩擦头及金属材料表面复合材料的制备方法。

本发明的摩擦头包括搅拌摩擦体和辅助送料装置，搅拌摩擦体由上圆柱体和下圆柱体组成，所述上圆柱体和下圆柱体上下设置且制成一体，所述上圆柱体的直径小于下圆柱体的直径，上圆柱体的外表面上设有夹持面，所述下圆柱体的下端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面，所述上圆柱体和下圆柱体沿轴线设有孔道，所述孔道由上至下分为三段，分别为上孔道、中孔道和下孔道，上孔道的内径与下孔道的内径相同，中孔道的内径小于上孔道的内径，所述下圆柱体上沿径向设有一横向通孔，横向通孔与下孔道相通，所述横向通孔的两端分别设有与横向通孔同轴且相通的轴承凹槽，增强相添加装置由遥控微型电动机、转轴、两个转动轴承和数个扇叶组成，所述转轴设置在横向通孔中，转轴的两端分别设置在两个转动轴承中，每个轴承凹槽装有一个转动轴承，数个扇叶位于下孔道中，且数个扇叶均布安装在转轴上，转轴的输入端与遥控微型电动机的输出轴连接，遥控微型电动机固装在下圆柱体的外表面上。

本发明的方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、确定摩擦头的几何尺寸：根据待处理工件一次表面复合材料化的宽度确定摩擦头轴肩的直径D，摩擦头轴肩的直径D与一次表面复合材料化的宽度相等，确定下孔道3-3的内径为0.5D～0.25D，凹形轴肩面的外边缘比凹形轴肩面的中心高0.1mm～1mm；

步骤二、添加增强相颗粒：向上孔道加入增强相颗粒，将上孔道填满；

步骤三、调整摩擦头的倾斜角：调整摩擦头的倾斜角即摩擦头的中心轴线与待处理工件法线的夹角，调整该夹角为0°～1°；