[發明專利]一種制備超細晶/納米晶板材的半固態加工工藝方法

有效

• 申請號: 201910915467.1
• 申請日: 2019-09-26
• 公開（公告）號: CN110653507B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 姬書得;馬琳;李清華;岳玉梅;宋崎;胡為;王留芳;熊需海
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: B23K28/02
• 分類號: B23K28/02;B23K20/12;B23K20/26;B23K20/10
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李珉

一種制備超細晶/納米晶板材的半固態加工工藝方法，首先將待加工板材放置在墊板上并固定，開啟電阻絲輔熱裝置和動態扭矩傳感器，然后旋轉攪拌針扎入板材表面且穿透板材直至靜止軸肩的端面與板材上表面接觸，超聲換能器的超聲波通過與超聲變幅桿相連的攪拌針傳遞到待加工區域細化晶粒，當攪拌加工工具系統達到設定下扎深度時，攪拌針停止下扎并繼續旋轉，然后攪拌加工工具系統以設定的速度沿著板材縱向方向從左至右往返梯次向前運動，至加工完畢為止。加工過程中，基于動態扭矩傳感器的反饋信號與半固態加工模型數據庫對比，對電阻絲輔熱裝置的功率進行反饋調節。通過調控加工區溫度使材料的固液比例處于設定范圍內，保證加工區質量的穩定性。

技術領域

本發明屬于攪拌摩擦加工工藝方法技術領域，具體涉及一種制備超細晶/納米晶板材的半固態加工工藝方法。

背景技術

攪拌摩擦焊(Friction stir welding FSW)是英國焊接研究所于1991年提出的一種新型固相焊技術，具有優質、節能、無污染等優點，被廣泛應用于航空、航天、汽車、船舶等領域。基于FSW的思想，美國的Mishara博士提出了攪拌摩擦加工(Friction stirprocessing,FSP)，即利用攪拌頭所造成的加工區域材料的劇烈塑性變形、混合、破碎，實現材料微觀組織的細化、均勻化與致密化，這種加工工藝方法在鋁合金和鎂合金的細晶超塑性材料制備方面已取得大量成果。但從目前的研究現狀來看，除了少部分低熔點合金(如AZ31)可實現材料顯微結構的納米化之外，大部分鋁合金和鎂合金實現納米化較困難。因此，許多研究者開始提出一些基于攪拌摩擦加工的工藝方法，比如水浸FSP、多道次FSP等，通過這些方法可進一步細化晶粒尺寸，達到改善材料性能的目的。

專利(申請號201310050662.5)提出了一種基于超聲輔助半固態攪拌摩擦加工工藝制備超細晶/納米晶板材的方法，首先利用高速旋轉的攪拌針與板材摩擦產熱使攪拌區材料達到半固態，然后利用超聲波在半固態材料中傳播時的聲空化效應增大形核率來達到細化晶粒的效果。然而，專利(申請號201310050662.5)存在如下三方面問題：1)為避免缺陷產生，主攪拌針多采用錐形，此幾何外形使沿板厚方向的溫度分布存在差異，造成厚度方向晶粒尺度的差異；2)當加工區材料為半固態時，低的摩擦系數使攪拌針難以產生足夠的摩擦熱，因此僅靠攪拌針產熱不可能獲得低的固液比例。事實上，只有足夠低的固液比例才能獲得令人滿意的超聲空化效果；3)在加工過程中，板厚制造誤差、熱積累、受熱面積改變等會使加工區的溫度峰值難以保持一致，影響制備板材加工質量的穩定性；4)為提供足夠的熱輸入需要采用較低的攪拌針移動速度，加工效率低下。

發明內容

本發明提出一種制備超細晶/納米晶板材的半固態加工工藝方法，通過攪拌-超聲-電阻熱-壓力協同作用完成超細晶/納米晶板材的制備。

一種制備超細晶/納米晶板材的半固態加工工藝方法，包括以下步驟：

步驟1、通過前期大量試驗，將加工區材料種類、加工參數、固液比例及與之對應的扭矩數據存入計算機；通過機器學習，生成半固態加工在線檢測模型，并建立半固態加工模型數據庫；

步驟2、將待加工板材水平放置在墊板結構上并固定好；其中墊板結構由墊板與若干等尺寸的墊塊組成，等尺寸的墊塊放置于墊板的凹槽內，且與墊板的上表面平齊，位于中間位置相鄰的兩個墊塊之間設置有空隙形成板材懸空區域，進而在加工過程中攪拌針正下方為懸空；

步驟3、接通電源，使動態扭矩傳感器通電，并通過計算機設定扭矩范圍；開啟電阻絲輔熱裝置，并通過計算機設定初始功率值；啟動攪拌摩擦焊機的主電機，使攪拌摩擦加工工具系統的攪拌針旋轉；

步驟4、攪拌針以1000～70000轉/分的轉速扎入板材表面且穿透板材，扎入速度為1～5mm/min，直到靜止軸肩端面與加工板材上表面緊密貼合后，再沿垂直板材表面的方向繼續下壓0.1～0.3mm；

步驟5、超聲換能器的超聲波通過攪拌針直接傳遞到待加工區域，超聲波參數如下：頻率為40～80K、振幅為20～60μm；