[发明专利]一种基于超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺制备超细晶/纳米晶板材的方法

说明书

技术领域：本发明涉及一种搅拌摩擦加工的工艺方法，尤其涉及一种板材背面无支撑且基于超声声空化效应的半固态搅拌摩擦加工工艺方法。

背景技术：搅拌摩擦焊（Friction stir welding,FSW）是英国焊接研究所于1991年提出的一种新型固相焊技术，具有优质、节能、无污染等优点，在航空、航天、汽车、船舶等领域有着众多的应用对象。基于搅拌摩擦焊的思想，美国的Mishra博士提出了搅拌摩擦加工（Friction stir processing,FSP），即利用搅拌头所造成加工区域材料的剧烈塑性变形、混合、破碎，实现材料微观组织的细化、均匀化与致密化。目前，这种加工工艺方法在铝合金或镁合金等的细晶超塑性材料制备方面取得了大量的成果。但从目前的研究现状来看，除了少部分低熔点合金（如AZ31）可实现材料显微结构的纳米化之外，铝合金与镁合金实现纳米化较困难。因此，许多研究者开始提出一些基于搅拌摩擦加工的工艺方法，比如水浸FSP、多道次FSP等，通过这些方法可尽一步细化晶粒尺寸，进而达到改善材料性能的目的。

发明内容：本发明为了制备铝合金、镁合金等低熔点合金的超细晶/纳米晶板材，提出板材背面无支撑技术与超声声空化效应相结合的半固态搅拌摩擦加工工艺方法。该方法的搅拌加工工具由不旋转轴肩与高速旋转的搅拌针组成。在加工过程，可振动的搅拌针发出超声波并对处于半固态下的金属材料产生声空化效应，起到细化晶粒的目的；与常规搅拌摩擦加工不同，在加工过程中待加工板材的背面无需垫板等结构来支撑，可进一步加强超声波的振动作用并细化晶粒。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺制备超细晶/纳米晶板材的方法，具体采用以下步骤：

步骤一、将待加工板材水平放置在垫板上并固定好,其中垫板结构由垫板与多个等尺寸的垫块组成,在加工过程中，利用垫块相对位置的变化实现搅拌针正下方悬空；

步骤二、搅拌工具以1000～7000转/分的转速扎入板材表面且穿透板材，可根据待加工板材加工过程中温度的具体情况来选择搅拌针的旋转速度，使板材达到半固态；搅拌工具的扎入速度为1～5mm/分，直到不旋转轴肩的端面与板材上表面接触后，沿垂直板材表面的方向继续下压0.1～0.3mm；轴肩不旋转，且轴肩直径为3～5倍的板材厚度；

步骤三、超声换能器的超声波通过与超声变幅杆相联的搅拌针直接传递到待加工区域，超声波的参数如下:频率为40～80K以及振幅为20～60μm，可根据待加工板材的具体情况来选择超声波的频率，使加工及其附近区域的晶粒得到充分细化，利用超声波在半固态材料中传播时产生的声空化效应细化晶粒的效果；

步骤四、当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转3～8分钟，进行材料预热，可根据待加工板材加工过程中的温度的具体情况来选择搅拌针的继续旋转时间，使板材的待加工区域得到充分的预热，使板材更容易达到半固态；然后搅拌工具以50～500mm/分的速度沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动，直到整个板材表面加工完毕为止；可根据待加工板材加工过程中的温度的具体情况来选择搅拌工具的移动速度，使板材达到半固态。

所述的搅拌工具包括搅拌针、超声换能器、不旋转轴肩及超声变幅杆。超声换能器固定在超声变幅杆上。超声变幅杆固定在搅拌针上。搅拌针由连接在一起的主搅拌针和辅助搅拌针组成。不旋转轴肩套装在主搅拌针上。主搅拌针为锥形体且表面由锯齿状结构组成,最大根部直径为1.2～1.5倍板材厚度且锥角小于5°；辅助搅拌针为锥形体，最大直径为主搅拌针直径的1.3～2倍，辅助搅拌针上表面两母线的最大夹角为140°～160°，辅助搅拌针下表面两母线的最大夹角为90°～120°；主搅拌针最大直径处（根部）到辅助搅拌针的最小距离比板厚大于0.2～0.5mm，且主搅拌针最大直径处（根部）到辅助搅拌针的最大距离与最小距离之差比垫块厚度小2～6mm；垫块的宽度是主搅拌针最大直径的1～4倍；在加工过程中，板材悬空区域的宽度与辅助搅拌针最大直径的差比主搅拌针的最大直径大4～20mm。

本发明的有益效果：

一、在加工过程中，被加工材料达到半固态，是一种半固态搅拌摩擦加工方法，与常规搅拌摩擦加工方法不同。为使材料达到半固态，搅拌针需高速旋转，使具有更小粘度的半固态材料经历更大的应变以及应变速率，以利于晶粒细化。

二、在加工过程中，搅拌针高速旋转产生热量，不旋转搅拌针面向出现液化成份的材料表面施加超声波振动，利用超声波在半固态材料中传播时产生的声空化效应细化晶粒。