[发明专利]一种基于搅拌摩擦连接的结构孔再制造和强化方法

说明书

一种基于搅拌摩擦连接的结构孔再制造和强化方法，其特征在于它包括以下步骤：（1）根据结构件的金属材料种类，制作以金属材料为基体，硬质纳米颗粒作为增强相的增强体；（2）将增强体装配到结构孔中，启动搅拌摩擦连接设备，将增强体（3）与加工区域（5）完全连接在一起，且使增强体中的硬质纳米颗粒均匀分散在加工区域中。（3）待搅拌摩擦连接加工结束后，在结构孔的中心位置通过机械加工出所需要的孔径大小，完成结构孔裂纹的修复再制造和强化。本发明采用搅拌摩擦连接加工，结构件残余应力与热变形小；加工区域的晶粒细化明显，孔壁周围均匀分布的纳米颗粒还能起到纳米颗粒强化的作用，同时保证孔壁的质量；绿色环保，实施简单。

技术领域

本发明涉及一种孔的再制造和强化方法，尤其是轻金属结构件孔的再制造和强化方法，具体地说是一种基于搅拌摩擦连接的结构孔的再制造和强化方法。

背景技术

航空结构件在服役过程中要承受复杂的交变载荷，在交变载荷作用下结构件孔边容易产生疲劳裂纹，发生疲劳失效，对结构件以及整机装备的可靠性、安全性和使用寿命影响很大。疲劳失效是结构件在服役过程中最主要的失效形式之一，有资料报导，在现代工业的各个领域中，大约有50-90%的结构强度破坏都是由疲劳破坏造成的，而疲劳失效的结构件中大部分的疲劳裂纹源于孔部位，可见关键结构件的孔失效已严重制约整机的可靠性和安全性。对于结构件孔边微裂纹如何修复再制造和如何提高结构件孔的抗疲劳性能，已成为广大科技者研究的重要课题。目前，关于结构件孔的强化技术主要有激光熔覆技术、机械喷丸技术、激光喷丸、冷挤压强化技术、颗粒注入和搅拌摩擦连接（加工）等技术。

中国专利（公告号：CN 108754121 A）公开了一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置及其方法，具体方法是利用激光喷丸强化和挤压强化复合加工内孔的孔壁，通过材料的塑性变形，提高孔壁的残余压应力，该方法可以提高连接孔的强度，但是激光喷丸系统昂贵，所述挤压芯棒加工困难且容易损坏。

中国专利（公告号：CN101736214B）公开了一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，具体方法是利用激光冲击强化将微纳米颗粒注入到金属材料表面，获得微纳米颗粒注入强化层，以提高材料表层的硬度、耐磨性和疲劳性能。该方法可以获得表面强化层，改善材料表面性能，但是在内孔壁面实施非常困难，难以实施。

中国专利（公告号：CN 102560041 A）公开了一种提高金属构件连接孔强度的方法，具体方法是利用搅拌摩擦加工对金属构件上需要开孔的区域进行搅拌加工，通过剧烈的材料塑性变形，使该区域组织细化、致密化、均匀化，从而提高孔周的强度，该方法效果也有限，可以在一定程度上提高金属构件连接孔的强度。

总的来说，现有的结构件内孔的强化方法都不能很好的满足用户需求，如机械喷丸和激光喷丸强化会导致内壁形成凹坑，达不到粗糙度要求，并且激光喷丸设备昂贵，加工费用高；冷挤压强化只能对结构简单的孔进行强化，对于复杂的孔也很难强化；激光熔覆和颗粒注入对内孔孔壁很难实施。传统的搅拌摩擦加工材料表面改性通过在材料表面预制沟槽添加纳米颗粒来改善材料表面性能，这种方法也很难用于结构件内孔强化。

搅拌摩擦连接和搅拌摩擦加工都是利用搅拌工具剧烈的搅拌作用，造成加工区材料发生剧烈塑性变形，实现材料微观组织的细化、均匀化和致密化，目前已被研究者用于金属微观组织细化、材料表面改性以及复合材料制备等方面。但是单纯使用搅拌摩擦连接和搅拌摩擦加工来强化孔的疲劳强度，效果往往不是很明显。

发明内容

本发明的目的是针对现有结构件孔的内壁强化很难实施或者效果不明显等问题，发明一种基于搅拌摩擦连接的结构孔再制造和强化方法。

本发明的技术方案是：

一种基于搅拌摩擦连接的结构孔再制造和强化方法，其特征在于它包括以下步骤：