[发明专利]一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法

说明书

本发明提供一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头制备方法，包括：在与工件摩擦位置，即搅拌针及轴肩表面位置采用高温耐磨材料；在搅拌针心部及轴肩端面非接触位置采用韧性好、强度高、经济性好的材料，并最终采用激光近净成形的方式实现这两种材料的梯度过渡及搅拌头近净成形。本发明提供的一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法，能够实现搅拌头工作中与金属直接接触的搅拌针及轴肩位置具有较好的高温耐磨性能，搅拌头整体具有优良的韧性、较高强度及较好经济性。本发明相对于传统的工具钢和模具钢拓展了搅拌工具的使用范围并延长使用寿命，相对于钨基搅拌头及聚晶立方氮化硼搅拌头本发明大大提高了搅拌头整体断裂韧性及制造的经济性。

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域、搅拌摩擦焊领域、功能梯度材料领域，特别涉及一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法。

背景技术

激光近净成形技术是增材制造的一种，是集计算机技术、激光技术、传感器技术及材料凝固学等技术为一体的受多种因素影响的一种新型先进制造技术，适用于金属、陶瓷等多种材料的成形。该技术采用三维建模软件构建零件实体模型并分层切片，生成运动轨迹，并利用高能激光束在金属或陶瓷表面形成熔池，粉末由惰性气体输送入熔池，在激光作用下形成熔覆层，经层层堆积形成实体零件。

功能梯度材料(Functional Graded Material,FGM)最早于上世纪80年代后期由日本学者新野正之等首先提出这个概念，主要用于航天飞机外蒙皮和发动机上的隔热材料。由于功能梯度材料的性能，如物理、化学和机械性能可以满足不同应用，很快引起很多国家科技工作者的关注。传统的复合材料是由两种或两种以上的不均匀的材料结合在一块，存在明显的界面，材料的物性参数在界面表现出明显的差异和不匹配，容易使界面成为失效点。功能梯度材料，即材料的成分和结构从材料的某一方位向另一方位连续变化，使材料的性能也呈现梯度变化的一种新材料。

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所(TWI)于1991年发明的一种新型固相连接技术，目前已广泛应用于航天、船舶制造等领域。搅拌头作为搅拌摩擦焊的核心部件，其通过与工件摩擦、搅拌作用使金属塑性变形，在搅拌工具的下压力和旋转作用下使塑性材料充分流动，从搅拌针前段移动到搅拌针后端形成焊接头。所以能用来制造搅拌头的材料应具有良好的抗磨损能力及耐高温性，及在任何温度下不与工件发生化学反应。常用搅拌头材料有：(1)工、模具钢，主要用于焊接轻质合金，如铝、镁合金等；(2)钨基材料，可满足钢、钛合金等硬质合金材料的搅拌摩擦焊接需求，但制造成本较高；(3)聚晶立方氮化硼，其高温稳定性和耐磨性好，高温强度和硬度高，但断裂韧性低，制造成本高，适用于钢和钛合金等材料的搅拌摩擦焊。

综上，将激光近净成形技术应用于功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头的制备，根据搅拌头不同位置的不同性能需求，通过改变输送入熔池中粉末成分，可制备出成分及功能梯度变化的搅拌头。据报道，重庆大学相关研究人员采用选区激光熔化(SLM)技术进行搅拌摩擦焊搅拌头增材制造，但其制造材料为单一工具钢材料，不具备功能梯度特性。相关研究人员采用真空烧结的方式进行硬质合金搅拌头制备，与GH4169搅拌头相比不仅成倍提高了焊接效率，同时降低了搅拌头的消耗，但WC-Co基硬质合金搅拌头韧性低，制备工艺复杂。相关研究人员采用Deform-3D有限元软件对铝合金搅拌摩擦焊搅拌头磨损速度进行仿真，表明刚开始搅拌时最大磨损位置发生在搅拌针外侧；焊接过程中搅拌头的最大磨损量发生在轴肩最外围。因此通过激光近净成形方式在搅拌针外侧及轴肩位置处成形耐高温磨损性能的搅拌头对降低搅拌头磨损、延长搅拌头寿命具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法，以解决搅拌头搅拌针及轴肩位置易磨损、钨基材料制造成本高、聚晶立方氮化硼材料断裂韧性低等问题。