[發明專利]大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強金屬基復合材料的方法

有效

• 申請號: 201110237967.8
• 申請日: 2011-08-18
• 公開（公告）號: CN102319954A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 張貴鋒;卿晶晶;徐明志;張建勛
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域：

本發明屬于焊接領域，涉及一種攪拌摩擦制備金屬基復合材料的方法，尤其是一種大直徑多道無針攪拌摩擦加工制備纖維增強金屬基復合材料的方法。?

背景技術：

連續纖維增強金屬基復合材料的顯著優點是強化效果異常顯著，遠遠超出金屬基體的性能，這是由于連續纖維強化金屬基復合材料中載荷主要由強度高的纖維承擔，而基體的主要作用是粘結與固定增強體；有較好的塑性以傳遞與分配載荷；保護基體不受環境損壞[參見：西安交通大學材料學院.復合材料學(講義).2005年8月，7-8，35-38，80-84.]。金屬基體通常是連續存在并致密地包圍任一增強體，而纖維以獨立的網狀或單向束狀分布于基體之中。常用的金屬基體無疑首選輕金屬基體如鋁、鈦；常用的纖維有碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維(SiC纖維與Al₂O₃纖維)以及金屬纖維(如不銹鋼絲、鎢絲、鉬絲、鋼絲等)。?

連續纖維增強金屬基復合材料的缺點在于制備成本很高，因而限制了其廣泛應用。連續纖維增強金屬基復合材料的制備方法大體可分為兩大類，即金屬基體被熔化的液相法和金屬基體不熔化的固相法[參見：西安交通大學材料學院.復合材料學(講義).2005年8月，7-8，?35-38，80-84.]。其中液相法包括：熔滲法(常壓熔浸、真空熔浸、加壓熔浸、組合熔浸)、鑄造法(擠壓鑄造與真空鑄造)等；固相法主要有熱壓法、熱等靜壓法、固態擴散結合法、壓力加工法(熱軋、熱拉拔、熱擠壓)、爆炸焊接法等。液相法為保證纖維/基體間的潤濕性或限制界面反應相過度增厚，需對纖維進行復雜的預處理，因而顯著延長了工期并增大了成本。而基于變形或擴散的熱-壓聯合作用的固相法也存在有待改進的缺點。?

上述絕大多數固相法都依賴于爐中加熱。爐中加熱方法耗能高、能量利用率低；緩慢的加熱/冷卻速度不僅使生產周期長、生產效率低，而且易使界面過度反應；產品尺寸亦受爐膛尺寸限制。另外，還需耐熱的加壓裝置，對設備要求高。特別需要強調的是，在采用鋁材作基體時，由于鋁材表面的氧化膜致密、穩定、強固而難以去除，使鋁基體的擴散焊的可焊性極差，必然影響纖維/鋁基體與鋁/鋁基體之間的結合性能。這些問題很大程度地制約了纖維增強鋁基復合材料的應用和發展。?

2003年美國密蘇里羅拉大學的R.S.Mishra基于1991年英國焊接研究所(TWI)提出的攪拌摩擦焊FSW(friction?stir?welding)[參見：Mishra?R?S，Ma?Z?Y.Friction?stir?welding?and?processing.Materials?Science?and?Engineering?R，2005，50：1-78.]技術開發出一種新型材料改性及表面復合材料制備技術——攪拌摩擦加工FSP(friction?stir?processing)技術[參見：Mishra?R?S，Ma?Z?Y.Charit?I.Friction?stir?processing：a?novel?technique?for?fabrication?of?surface?composite.?Materials?Science?and?Engineering?A，2003，341(1-2)：307-310.]，該方法是一種固態加工方法，綠色節能環保。R.S.Mishra的思路是，先在鋁板材表面外涂SiC陶瓷粉末，并利用針的驅散、攪拌作用，成功將SiC陶瓷粉末嵌入鋁板材的表層，從而在鋁母材的表面制備出SiC顆粒增強鋁基表面復合材料(surface?composite)，其表面的復合層厚度在50～200μm。該項技術在表面復合材料制備領域影響迅速且巨大，迅速引研究人員的關注，日本、韓國、中國臺灣等研究人員均開展了FSP制備顆粒增強的表面復合材料的研究[參見：Ma?Z?Y.Friction?stir?processing?technology：a?review.Metallurgical?and?Materials?TransactionA，2008，39A：642-658；張貴鋒，韋中新，張軍，蘇偉，張建勛.攪拌摩擦處理(FSP)-一種新型綠色表面強化技術.焊管，2009，32(12)：23-30.]。目前的研究主要集中于如何迅速改善陶瓷顆粒分布的均勻性。?