[發(fā)明專利]一種功能梯度攪拌摩擦焊攪拌頭激光近凈成形方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811281453.0
• 申請日: 2018-10-23
• 公開（公告）號: CN109514075B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郝云波;趙凱;董吉義;趙維剛;楊洋;黃征
• 申請（專利權(quán)）人: 上海航天設(shè)備制造總廠有限公司
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;B23K26/00;B23K20/12
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 余岢

本發(fā)明提供一種功能梯度攪拌摩擦焊攪拌頭制備方法，包括：在與工件摩擦位置，即攪拌針及軸肩表面位置采用高溫耐磨材料；在攪拌針心部及軸肩端面非接觸位置采用韌性好、強(qiáng)度高、經(jīng)濟(jì)性好的材料，并最終采用激光近凈成形的方式實(shí)現(xiàn)這兩種材料的梯度過渡及攪拌頭近凈成形。本發(fā)明提供的一種功能梯度攪拌摩擦焊攪拌頭激光近凈成形方法，能夠?qū)崿F(xiàn)攪拌頭工作中與金屬直接接觸的攪拌針及軸肩位置具有較好的高溫耐磨性能，攪拌頭整體具有優(yōu)良的韌性、較高強(qiáng)度及較好經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明相對于傳統(tǒng)的工具鋼和模具鋼拓展了攪拌工具的使用范圍并延長使用壽命，相對于鎢基攪拌頭及聚晶立方氮化硼攪拌頭本發(fā)明大大提高了攪拌頭整體斷裂韌性及制造的經(jīng)濟(jì)性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)領(lǐng)域、攪拌摩擦焊領(lǐng)域、功能梯度材料領(lǐng)域，特別涉及一種功能梯度攪拌摩擦焊攪拌頭激光近凈成形方法。

背景技術(shù)

激光近凈成形技術(shù)是增材制造的一種，是集計算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、傳感器技術(shù)及材料凝固學(xué)等技術(shù)為一體的受多種因素影響的一種新型先進(jìn)制造技術(shù)，適用于金屬、陶瓷等多種材料的成形。該技術(shù)采用三維建模軟件構(gòu)建零件實(shí)體模型并分層切片，生成運(yùn)動軌跡，并利用高能激光束在金屬或陶瓷表面形成熔池，粉末由惰性氣體輸送入熔池，在激光作用下形成熔覆層，經(jīng)層層堆積形成實(shí)體零件。

功能梯度材料(Functional Graded Material,FGM)最早于上世紀(jì)80年代后期由日本學(xué)者新野正之等首先提出這個概念，主要用于航天飛機(jī)外蒙皮和發(fā)動機(jī)上的隔熱材料。由于功能梯度材料的性能，如物理、化學(xué)和機(jī)械性能可以滿足不同應(yīng)用，很快引起很多國家科技工作者的關(guān)注。傳統(tǒng)的復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的不均勻的材料結(jié)合在一塊，存在明顯的界面，材料的物性參數(shù)在界面表現(xiàn)出明顯的差異和不匹配，容易使界面成為失效點(diǎn)。功能梯度材料，即材料的成分和結(jié)構(gòu)從材料的某一方位向另一方位連續(xù)變化，使材料的性能也呈現(xiàn)梯度變化的一種新材料。

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所(TWI)于1991年發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于航天、船舶制造等領(lǐng)域。攪拌頭作為攪拌摩擦焊的核心部件，其通過與工件摩擦、攪拌作用使金屬塑性變形，在攪拌工具的下壓力和旋轉(zhuǎn)作用下使塑性材料充分流動，從攪拌針前段移動到攪拌針后端形成焊接頭。所以能用來制造攪拌頭的材料應(yīng)具有良好的抗磨損能力及耐高溫性，及在任何溫度下不與工件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。常用攪拌頭材料有：(1)工、模具鋼，主要用于焊接輕質(zhì)合金，如鋁、鎂合金等；(2)鎢基材料，可滿足鋼、鈦合金等硬質(zhì)合金材料的攪拌摩擦焊接需求，但制造成本較高；(3)聚晶立方氮化硼，其高溫穩(wěn)定性和耐磨性好，高溫強(qiáng)度和硬度高，但斷裂韌性低，制造成本高，適用于鋼和鈦合金等材料的攪拌摩擦焊。

綜上，將激光近凈成形技術(shù)應(yīng)用于功能梯度攪拌摩擦焊攪拌頭的制備，根據(jù)攪拌頭不同位置的不同性能需求，通過改變輸送入熔池中粉末成分，可制備出成分及功能梯度變化的攪拌頭。據(jù)報道，重慶大學(xué)相關(guān)研究人員采用選區(qū)激光熔化(SLM)技術(shù)進(jìn)行攪拌摩擦焊攪拌頭增材制造，但其制造材料為單一工具鋼材料，不具備功能梯度特性。相關(guān)研究人員采用真空燒結(jié)的方式進(jìn)行硬質(zhì)合金攪拌頭制備，與GH4169攪拌頭相比不僅成倍提高了焊接效率，同時降低了攪拌頭的消耗，但WC-Co基硬質(zhì)合金攪拌頭韌性低，制備工藝復(fù)雜。相關(guān)研究人員采用Deform-3D有限元軟件對鋁合金攪拌摩擦焊攪拌頭磨損速度進(jìn)行仿真，表明剛開始攪拌時最大磨損位置發(fā)生在攪拌針外側(cè)；焊接過程中攪拌頭的最大磨損量發(fā)生在軸肩最外圍。因此通過激光近凈成形方式在攪拌針外側(cè)及軸肩位置處成形耐高溫磨損性能的攪拌頭對降低攪拌頭磨損、延長攪拌頭壽命具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種功能梯度攪拌摩擦焊攪拌頭激光近凈成形方法，以解決攪拌頭攪拌針及軸肩位置易磨損、鎢基材料制造成本高、聚晶立方氮化硼材料斷裂韌性低等問題。