[发明专利]中空变径多孔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

搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing，FSP)技术是一种新型材料制备与加工技术，目前已被成功应用到金属基复合材料的制备上。搅拌摩擦加工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，从而实现表面材料的细密化、均匀化。利用FSP进行金属基复合材料制备的方法可分为两类，间接法和直接法，间接法是指将金属粉末与增强相颗粒相混合，热压成型，再经过FSP过程。直接法是指将增强相颗粒预置在金属板材中，再进行搅拌摩擦加工。金属基表面复合材料的制备一般用直接法，FSP加工前，在板材上开槽或者盲孔，并将颗粒预置其中，再进行FSP加工，使用该类方法制备的表面复合材料，其增强相分布均匀性以及弥散性不理想。分析其原因在于加工头对材料表面进行加工时，增强相颗粒大都集中置于槽中或盲孔中，因此容易发生颗粒的推移和不分散，造成增强相分布不够均匀以及弥散。

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材料中，导致材料在加工过程中，发生颗粒的飞溅及推移，使得增强相分布不均的问题，提供一种中空变径多孔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、变径片和八个封紧螺钉，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两段，分别为上孔道和中孔道，上孔道的内径大于中孔道的内径，所述下圆柱体上在同一截面上均布设有四个横向通孔，且四个横向通孔均与中孔道相通，中孔道的内径小于横向通孔的内径，每个横向通孔的两端分别设有与其同轴且相通的螺纹孔，位于横向通孔下方的下圆柱体上沿同一圆周均布设有八个下竖孔道，且每个横向通孔与两个下竖孔道相通，八个下竖孔道的内径相等，每个下竖孔道的内径小于横向通孔的内径，每个螺纹孔中螺纹连接一个封紧螺钉，变径片置于上孔道的底部，变径片的轴心处设有变径孔，变径孔的内径小于中孔道的内径。

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，确定下竖孔道的内径0.1D～0.2D，凹形轴肩面的外边缘比凹形轴肩面的中心高0.2mm～1.5mm；

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°；

步骤四、待处理工件表面复合材料层的制备过程：对待处理工件表面进行搅拌摩擦加工，具体过程为：

(1)、将摩擦头移至待加工件表面，摩擦头以200转/分钟～1800转/分钟的转速压入待处理工件表面中，凹形轴肩面的压入深度为0.2mm～1.2mm毫米，压入后停留1秒～5秒；

(2)、用铝箔将凹形轴肩面2-1封住，高速旋转的摩擦头压入待处理工件表面，再沿加工表面前进，铝箔逐渐消失，增强相颗粒经上孔道、中孔道、横向通孔进入横向通孔，随着摩擦头的高速旋转，增强相颗粒被甩至横孔道的两端，并沿八个下竖孔道分散地流进作用界面，并被搅压进金属基体中，此时，摩擦头的旋转速度为200转/分钟～1800转/分钟，摩擦头的行进速度为5毫米/分钟～200毫米/分钟，停止摩擦头行进，并将摩擦头上升离开加工件表面，即在加工件表面完成了一道表面复合材料的制备。