[发明专利]一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法

说明书

一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法，首先将待加工板材放置在垫板上并固定，开启电阻丝辅热装置和动态扭矩传感器，然后旋转搅拌针扎入板材表面且穿透板材直至静止轴肩的端面与板材上表面接触，超声换能器的超声波通过与超声变幅杆相连的搅拌针传递到待加工区域细化晶粒，当搅拌加工工具系统达到设定下扎深度时，搅拌针停止下扎并继续旋转，然后搅拌加工工具系统以设定的速度沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动，至加工完毕为止。加工过程中，基于动态扭矩传感器的反馈信号与半固态加工模型数据库对比，对电阻丝辅热装置的功率进行反馈调节。通过调控加工区温度使材料的固液比例处于设定范围内，保证加工区质量的稳定性。

技术领域

本发明属于搅拌摩擦加工工艺方法技术领域，具体涉及一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法。

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，被广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等领域。基于FSW的思想，美国的Mishara博士提出了搅拌摩擦加工(Friction stirprocessing,FSP)，即利用搅拌头所造成的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，这种加工工艺方法在铝合金和镁合金的细晶超塑性材料制备方面已取得大量成果。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，大部分铝合金和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，通过这些方法可进一步细化晶粒尺寸，达到改善材料性能的目的。

专利(申请号201310050662.5)提出了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，首先利用高速旋转的搅拌针与板材摩擦产热使搅拌区材料达到半固态，然后利用超声波在半固态材料中传播时的声空化效应增大形核率来达到细化晶粒的效果。然而，专利(申请号201310050662.5)存在如下三方面问题：1)为避免缺陷产生，主搅拌针多采用锥形，此几何外形使沿板厚方向的温度分布存在差异，造成厚度方向晶粒尺度的差异；2)当加工区材料为半固态时，低的摩擦系数使搅拌针难以产生足够的摩擦热，因此仅靠搅拌针产热不可能获得低的固液比例。事实上，只有足够低的固液比例才能获得令人满意的超声空化效果；3)在加工过程中，板厚制造误差、热积累、受热面积改变等会使加工区的温度峰值难以保持一致，影响制备板材加工质量的稳定性；4)为提供足够的热输入需要采用较低的搅拌针移动速度，加工效率低下。

发明内容

本发明提出一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法，通过搅拌-超声-电阻热-压力协同作用完成超细晶/纳米晶板材的制备。

一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法，包括以下步骤：

步骤1、通过前期大量试验，将加工区材料种类、加工参数、固液比例及与之对应的扭矩数据存入计算机；通过机器学习，生成半固态加工在线检测模型，并建立半固态加工模型数据库；

步骤2、将待加工板材水平放置在垫板结构上并固定好；其中垫板结构由垫板与若干等尺寸的垫块组成，等尺寸的垫块放置于垫板的凹槽内，且与垫板的上表面平齐，位于中间位置相邻的两个垫块之间设置有空隙形成板材悬空区域，进而在加工过程中搅拌针正下方为悬空；

步骤3、接通电源，使动态扭矩传感器通电，并通过计算机设定扭矩范围；开启电阻丝辅热装置，并通过计算机设定初始功率值；启动搅拌摩擦焊机的主电机，使搅拌摩擦加工工具系统的搅拌针旋转；

步骤4、搅拌针以1000～70000转/分的转速扎入板材表面且穿透板材，扎入速度为1～5mm/min，直到静止轴肩端面与加工板材上表面紧密贴合后，再沿垂直板材表面的方向继续下压0.1～0.3mm；

步骤5、超声换能器的超声波通过搅拌针直接传递到待加工区域，超声波参数如下：频率为40～80K、振幅为20～60μm；