[发明专利]搅拌头同步送粉的金属表面纳米复合化加工装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用搅拌头自动同步送粉的表面纳米复合化加工装置对金属工件搅拌摩擦加工以原位合成纳米复合材料表层的方法，属于金属材料表面改性技术领域。

背景技术

搅拌摩擦焊（friction stir welding，简称FSW）是英国焊接研究所1991年发明并获世界范围内专利保护的新型固相焊接技术。与传统焊接方法相比，搅拌摩擦焊的热源来自工件和搅拌头之间的摩擦，焊接温度一般低于材料熔点，焊接过程中没有材料熔化，能够降低许多焊接缺陷产生的可能性。其一经发明便引起了世界范围的关注，在航空航天、车辆、造船等行业获得了大量成功应用。

搅拌摩擦加工（friction stir processing，缩写为FSP）是美国密苏里大学的R.S.Mishra在2000年基于搅拌摩擦焊工艺开发出的金属材料表面加工新技术。利用搅拌摩擦加工技术，可实现金属材料表层组织超细化、致密化、均匀化及改性层的原位合成。较之其它金属加工技术，其具有如下优点：（1）FSP是一种可实现组织细化、致密化、均匀化的短程、单步固相加工技术；（2）通过优化工具设计、调整FSP工艺参数、外加热量输入或冷却，可精细控制和调节搅拌摩擦加工区的组织与性能：（3）处理区域的深度可以通过改变“搅拌针”的长度任意调节（数百微米到数十毫米）；（4）FSP工艺中的热量主要来源于摩擦热和材料变形热，是一种绿色节能加工技术。

目前FSP原位合成技术得到了国内外研究者的普遍关注。FSP可使搅拌区的材料剧烈塑性变形（应变量可达到40），致使材料表层金属与外加陶瓷增强相粉末在固态下发生均匀的机械混合，从而制备出高硬度、耐磨的颗粒强化表层复合材料。利用FSP制备复合材料具有独特的技术优势：第一，FSP是在固态下进行的，可避免界面反应与有害相的形成；第二，FSP在表面复合化同时还可显著细化晶粒、改善母材显微组织结构。目前相关研究主要包括：（1）FSP制备铝基表层复合材料，增强相颗粒主要包括SiC、Al₂O₃、TiO₂、富勒烯、碳纳米管等，母材主要有5083、6082、1100、6061等铝合金；（2）FSP制备镁基表层复合材料，增强颗粒主要有：SiO₂、碳纳米管、SiC、ZrO₂等，母材主要有AZ91、AZ61、AZ31、AZ91D等。

目前，FSP复合材料制备技术存在的主要不足在于：增强相的混入大多采用在母材表面加工小槽（或小孔）再填充粉料的方法，而后利用FSP使增强相颗粒（或纳米管）均匀化分布。开槽或开孔一方面破坏了母材的完整性，可能会影响母材的机械性能，进而影响复合材料的性能；另一方面开槽（孔）、填充粉体增加了工艺的复杂性，影响工艺的自动化水平，将会影响FSP复合材料制备技术的推广与应用。

发明内容

技术问题：

本发明所要解决的技术问题是提供一种搅拌头同步送粉的金属表面纳米复合化加工装置，以及利用该装置对金属工件表面搅拌摩擦加工以实现表层纳米复合材料原位合成的加工方法。鉴于搅拌摩擦加工在金属材料表层复合化与组织超细化方面的广阔实用前景，如何实现增强相的同步连续送粉是实现自动化FSP加工并使之获得工业化应用所要解决的重要技术问题。本专利申请就是涉及搅拌头自动同步送粉、实现FSP连续加工以便在金属工件表面原位合成纳米复合材料改性层的金属表面纳米复合化方法与装置。

技术方案：

    一种搅拌头同步送粉的金属表面纳米复合化加工的装置，包括搅拌头、旋转轴（5）和可自动升降的工作台（7），还包括自动送粉器（4），搅拌头内设置送粉通道A, 其中搅拌头由夹持部位（1）、轴肩（2）与搅拌探针（3）所构成，送粉通道A由搅拌头上端夹持部位(1)入口，经轴肩（2）由搅拌探针（3）轴向端面出口，自动送粉器（4）固定在旋转轴承台的侧面，并与送粉通道A的入口相连接，旋转轴（5）与搅拌头的夹持部位（1）相连接。

所述搅拌头的送粉通道A分为侧式送粉通道A和轴式送粉通道A，其中侧式送粉通道A的入口设在搅拌头夹持部位（1）的侧面上，中段和下段设在轴肩（2）与搅拌探针（3）的中轴向位置；轴式送粉通道A设置在搅拌头夹持部位（1）、轴肩（2）与搅拌探针（3）的中轴向位置，其中，轴式送粉通道A通过旋转轴承台中的通道与自动送粉器（4）相连。