[發明專利]高熔點材料攪拌摩擦焊攪拌頭的一體化成型方法

有效

• 申請號: 201711337919.X
• 申請日: 2017-12-14
• 公開（公告）號: CN107962293B
• 公開（公告）日: 2020-04-14
• 發明（設計）人: 肖逸鋒;任賽男;錢錦文;吳靚;許艷飛;歐艷;張乾坤;葉明強;曾毅夫;宋二軍;劉遠;周益輝
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: B23P15/00
• 分類號: B23P15/00;B23K20/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了高熔點材料攪拌摩擦焊金屬陶瓷攪拌頭的一體化成型方法。本發明對原料組成為75~90%TiC、6~15%Mo和4~10%Ni的混合粉，采用球磨混料、模壓成型、預燒結、切削加工、真空燒結及后處理的工藝方式，制備一體化成型的攪拌摩擦焊金屬陶瓷攪拌頭。本發明操作簡單，機械化程度高，可以免去傳統工藝中的浸蠟增塑步驟，降低生產成本，縮短生產周期。

技術領域

本發明涉及金屬陶瓷成型技術領域，更具體的，涉及高熔點材料攪拌摩擦焊用的攪拌頭材料及一體化成型方法。

背景技術

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，以下簡稱FSW)是一種新興的固相連接技術，主要通過攪拌頭與被焊工件之間的攪拌摩擦熱使該部位金屬處于熱塑性狀態并在攪拌頭的壓力作用下從其前端向后部塑性流動，從而使待焊件壓焊為一個整體。由于攪拌摩擦焊的特殊連接機理，使得攪拌頭成為攪拌摩擦焊的關鍵部件，在工作過程中攪拌頭會受到巨大的機械力以及高溫的作用，因此對于攪拌頭的高溫穩定性及熱強性有著特殊要求。

攪拌頭作為FSW的“心臟”，其材料和結構是攪拌摩擦焊技術的核心。攪拌頭直接承受焊接過程的熱載、力載及摩擦磨損，因此要求用來制造攪拌頭的材料需具有高于被焊材料的熔點、強度、硬度、韌性、良好的抗磨損能力和耐高溫性等。對于高熔點材料，在焊接時最高溫度可達1000℃以上。當前常用的攪拌頭材料主要為鎢基材料和立方氮化硼，但鎢價格昂貴，且鎢難以進行機械加工，難成型異形尺寸件，而攪拌頭均為異形結構，因此鎢基合金攪拌頭制造成本很高。立方氮化硼PCBN攪拌頭高溫穩定性和耐磨性好，高溫強度和硬度高，但制造PCBN需要高溫高壓，且成型異形尺寸件也較困難。因而PCBN攪拌頭制造成本也很高，價格昂貴。因此，迫切需求發展高性能耐高溫攪拌摩擦焊攪拌頭材料及其低成本、可控制備技術。

采用模壓成型一預燒結一機械加工一再燒結的方法制備金屬陶瓷一體成型攪拌頭，利用了金屬陶瓷在不完全燒結狀態下致密化程度較差，氣孔較多，晶粒較小，沒有完全硬化，又因部分燒結而具有適當的強度以保證加工時不碎裂和滿足加工精度要求，在此基礎上進行攪拌頭的加工，可以大大提高攪拌頭制造效率，同時降低制造成本。加工后的試樣再經高溫完全燒結后組織致密、晶粒整齊，保證了良好的機械性能。

發明內容

本發明提供一種高熔點材料攪拌摩擦焊攪拌頭，同時提供其攪拌頭即攪拌針(1)和軸肩(2)一體化成型方法，解決高熔點材料攪拌摩擦焊過程中攪拌頭磨損嚴重的問題，以及金屬陶瓷攪拌頭脆硬等難加工性的缺點。

本發明所提供一種高熔點材料攪拌摩擦焊攪拌頭一體化成型方法，由其組成原料經原料配制、球磨混料、模壓成型、預燒結、切削加工、真空燒結和后處理制備而成，其特征在于：

S1.原料配制：按照質量分數為75-90％TiC、6～15％Mo和4-10％Ni的配比稱量粉末，并添加質量分數為1～2％的成形劑聚乙二醇(PEG)，得到混合原料；

S2.球磨混料：將S1配制的混合料放入不銹鋼球磨罐，加入適量無水乙醇、ZrO₂磨球為介質，球料比10：1，密封放入行星式球磨機中球磨24h-36h，球磨機轉速200r/min-250r/min；

S3.模壓成型：將混合料料漿干燥、過篩后，利用模壓成型方法將金屬陶瓷顆粒填裝到圓柱體模具，加壓150MPa-250MPa，獲得壓坯；

S4.預燒結：將壓坯在250℃～400℃溫度下進行真空脫脂，保溫時間為6h-10h；繼續升溫在810℃～880℃保溫1h-2h，預燒結完成后冷卻至室溫，得到預燒結攪拌頭；

S5.切削加工：按照所需結構形狀和大小對預燒結攪拌頭進行機械加工；

S6.真空燒結：采用真空燒結成型，將S5所得預燒結攪拌頭再次燒結，燒結溫度為1300℃～1500℃，保溫時間為1h～1.5h，得到燒結體；