鋁合金及鋁基複合材料表面半固態攪拌塗覆釺料方法
2023-06-02 09:47:51
專利名稱：鋁合金及鋁基複合材料表面半固態攪拌塗覆釺料方法
技術領域：
本發明涉及一種釺料塗層覆方法。
背景技術：
高比強度、高尺寸穩定性的新型航天結構材料是減輕太空飛行器重量、提高太空飛行器發射能力和提高武器裝備瞬時應急特性的基礎。鋁基複合材料具有高比強度、高比彈性模量、 高尺寸穩定性、較好的耐磨性能等優點，在航天領域和武器裝備領域具有重大潛在的使用價值，同時也是當前我國新材料基礎研究的重點。但是，鋁基複合材料欲在航天、武器裝備及民品上進一步推廣應用，就必須解決其二次加工技術問題，特別是一些複雜構件的焊接技術遠遠落後於其它技術的研究，成為該種材料走向實用化的瓶頸，因此深入研究鋁基複合材料焊接中的科學問題是非常必要的。鋁基複合材料的焊接研究之所以遠遠落後於其它二次加工技術是因為該材料的特殊結構特點導致其焊接性很差，增強相與基體在物理和化學性質方面的差異是焊接的主要難點。目前，美國、俄羅斯、英國等西方工業發達國家在鋁基複合材料焊接方面開展了大量的研究工作，但也僅限於連續長纖維增強鋁基複合材料的焊接得到了應用，而國內外顆粒增強鋁基複合材料的焊接還僅是在實驗室裡進行研究，如電弧焊、雷射焊、釺焊、擴散焊、 瞬時液相焊等，其中釺焊和瞬時液相焊由於可將焊接溫度控制在基體與增強相不發生反應的範圍內，避免了熔化焊高溫帶來的增強相燒損和界面反應的問題，被認為較適於該種材料的焊接的方法，近幾年國內外關於這方面研究的報導也最多。但是，在上述的連接工藝過程中，為了使得複合材料的基體與基體或填充材料與基體形成冶金連接，焊前必須清理焊件表面氧化膜，焊接過程必須在真空環境下進行，而且依靠壓力變形破碎表面新生氧化膜。很多種焊接方法都達不到期望的結果，而人們常用的釺焊方法也存在有接頭強度受釺料限制的問題，使得鋁基複合材料的焊接性能達不到預期效果。現有的釺料放置有以下方式
1、預置釺料塗層將釺料製作成片狀或條狀，放入兩個被焊物中間或旁邊，利用毛細現象進行連接。此方法工藝繁瑣不方便。2、熔化焊塗覆因本身高溫熔化使鋁基複合材料中的增強相與基體合金髮生較強烈的界面反應，惡化母材的性能，並因在高溫時某些增強相(如SiC)與基體Al在較大的溫度範圍內熱力學不穩定，熔化焊塗覆高溫下有害的界面反應不可避免，進一步惡化接頭的性能。3、超聲波塗覆超聲波技術應用於某些鋁合金及鋁基複合的塗覆及鋁的軟釺焊中，但超聲波功率發生器的製造複雜，成本較高。塗覆時間較短時，氧化膜去除不徹底；但塗覆時間太長則易造成母材的溶蝕，同樣對塗覆質量不利，所以很難控制塗覆的工藝參數。4、火焰塗覆使用可熔融塗層材料對待塗覆物體執行塗覆的方法，此方法需要釺料與基體有較好的潤溼鋪展，但可熔塗層易被氧化，由於A1203的阻隔，塗覆層的質量較差。5、刮擦釺料塗覆缺點是周期較長、對氧化膜的去除是不均勻的，在氧化膜去除不徹底的地方，塗覆層容易脫落。6、旋轉摩擦表面塗覆利用旋轉摩擦頭刮擦基體表面，使得基體露出新鮮的金屬表面，液態釺料覆蓋在已破氧化膜的金屬表面，防止二次氧化，但其塗覆釺料的溫度較高， 且破壞基體自身的厚度，易將摩擦的基體金屬屑帶入釺料。
發明內容
本發明為了解決現有技術中存在周期較長、易生成Al4C3脆性化合物、氧化膜去除不徹底的問題，以及設備昂貴、成本很高、焊件尺寸形狀也很受限制等缺點，而提出了一種鋁合金及其複合材料半固態旋轉塗覆釺料方法，採用的是摩擦頭不接觸基體，而是依靠半固態釺料的固相顆粒去擠壓基體，從而達到破膜和連接的目的，並且塗覆溫度較低為塗覆材料的半固態區間。本發明的技術方案如下
一種鋁合金及其複合材料半固態旋轉塗覆釺料方法，其步驟如下 步驟一通過控溫系統E和加熱系統R使鋁基複合材料或鋁合金材料A加熱至釺料半固態溫度，將釺料置於鋁基複合材料或鋁合金材料A的待焊面上熔化形成預置釺料B。步驟二 將耐高溫金屬攪拌摩擦頭C直接插入釺料中，且與鋁基複合材料或鋁合金材料A的待焊面保持距離0.廣1mm，使得高溫金屬攪拌摩擦頭C預熱至釺料溫度。步驟三旋轉耐高溫金屬攪拌摩擦頭C，使其粗糙端面帶動半固態釺料，使得固相成分擠壓以至破碎鋁基複合材料或鋁合金材料A氧化膜，在破碎氧化膜的同時，液相部分覆蓋在基體表面，並且鋁基複合材料或鋁合金材料A與耐高溫金屬攪拌摩擦頭C之間進行勻速相對運動，形成釺料塗覆層D，釺料塗覆層D保護被去除氧化膜的金屬不被第二次氧化，直至整個待焊表面處理完畢。本發明的優點在於操作簡單，不需要複雜的設備，鋁合金及鋁基複合材料破碎氧化膜率高、周期短、不破壞母材，易實現自動化、半固態釺料的液相部分保護破碎氧化膜的母材表面不被重新氧化，同時由於釺料處於半固態使得塗層呈非枝晶組織，提高了現有釺焊方法的焊接質量。
圖1是本發明結構示意圖2是耐高溫金屬攪拌摩擦頭C的結構示意圖； 圖3是半固態塗層原理示意圖。
具體實施例方式結合圖1、圖2及圖3說明本方法，步驟如下
步驟一通過控溫系統E和加熱系統R使鋁基複合材料或鋁合金材料A加熱至415°C， 使釺料處於半固態，將ZnAl釺料置於鋁基複合材料或鋁合金材料A的待焊面上形成預置釺料B。其中釺料化學成分百分比為鋅是70、5%，鋁是餘量。釺料採用釺料片或手工塗覆釺料粉或釺料棒在所需要的位置上。步驟二 將耐高溫金屬攪拌摩擦頭C直接插入處於半固態釺料中預熱，並與鋁基複合材料或鋁合金材料A的表面保持一定距離0. 2mm ；
步驟三耐高溫金屬攪拌摩擦頭C的粗糙端面開始旋轉帶動半固態釺料，旋轉速度為 65^1500轉/分鐘，使得固相成分擠壓以至破碎鋁基複合材料或鋁合金材料A氧化膜，在破碎氧化膜的同時，液相部分覆蓋在基體表面，並且鋁基複合材料或鋁合金材料A與耐高溫金屬攪拌摩擦頭C之間進行勻速相對運動，速度為15 50mm / min，形成釺料塗覆層D，釺料塗覆層D保護被去除氧化膜的金屬不被第二次氧化，直至整個待焊表面處理完畢；
上述方法中使用的耐高溫金屬攪拌摩擦頭C的材料為耐熱合金或陶瓷，參見圖2，工作部分Cl為圓環形，中空，其圓壁的厚度在0. 5^5mm ；被夾持部分C2為實心，安裝在鑽夾頭等夾具上。釺料屬於半固態，固相分數在40 90%。上述方法的工作原理為見附圖3，在半固態釺料中插入耐高溫金屬攪拌頭C，通過施加適當的攪拌力場使半固態合金中固相顆粒1擠壓、破碎以至去除鋁基複合材料基體氧化膜3，使得半固態合金中晶間液相2與鋁基複合材料基體發生適當的擴散溶解，以至在鋁基複合材料基體表面形成溶解液相4，從而形成溶解層，此時在溶解層中的SiC顆粒5在攪拌頭的作用下進入焊縫中，6即為進入焊縫的SiC顆粒。
權利要求
1.鋁合金及其複合材料半固態旋轉塗覆釺料方法，其特徵在於步驟如下步驟一通過控溫系統(E)和加熱系統(R)使鋁基複合材料或鋁合金材料(A)加熱至釺料處於半固態，將釺料置於鋁基複合材料或鋁合金材料(A)的待焊面上熔化形成預置釺料⑶；步驟二 將耐高溫金屬攪拌摩擦頭(C)直接插入釺料中，且與鋁基複合材料或鋁合金材料(A)的待焊面保持距離0.廣1mm，使得高溫金屬攪拌摩擦頭(C)預熱至釺料溫度；步驟三旋轉耐高溫金屬攪拌摩擦頭(C)，由其粗糙端面帶動半固態釺料，使得固相成分擠壓以至破碎鋁基複合材料或鋁合金材料(A )表面的氧化膜，在破碎氧化膜的同時，液相部分覆蓋在鋁基複合材料或鋁合金材料(A)已破膜的基體表面；同時使鋁基複合材料或鋁合金材料(A)與耐高溫金屬攪拌摩擦頭(C)之間進行勻速相對運動，在鋁基複合材料或鋁合金材料(A)表面形成釺料塗覆層(D)，釺料塗覆層(D)保護被去除氧化膜的金屬不被第二次氧化，直至整個待焊表面處理完畢。
2.根據權利要求1所述的鋁合金及其複合材料半固態旋轉塗覆釺料方法，其特徵在於所述的釺料化學成分的百分比為鋅70、5%，餘量是鋁。
3.根據權利要求1所述的鋁合金及其複合材料半固態旋轉塗覆釺料方法，其特徵在於步驟一中置於鋁基複合材料或鋁合金材料(A)的待焊面的釺料採用釺料片或手工塗覆釺料粉或釺料棒。
4.根據權利要求1所述的鋁合金及其複合材料半固態旋轉塗覆釺料方法，其特徵在於步驟四中耐高溫金屬攪拌摩擦頭(C)旋轉速度為65 1500轉/分鐘。
5.根據權利要求1所述的鋁合金及其複合材料半固態旋轉塗覆釺料方法，其特徵在於步驟四中鋁基複合材料或鋁合金材料(A)與耐高溫金屬攪拌摩擦頭(C)之間的勻速相對運動的速度為15 50mm / min。
6.根據權利要求1所述的鋁合金及其複合材料半固態旋轉塗覆釺料方法，其特徵在於耐高溫金屬攪拌摩擦頭(C)的材料為耐熱合金或陶瓷。
7.根據權利要求1所述的鋁合金及其複合材料半固態旋轉塗覆釺料方法，其特徵在於耐高溫金屬攪拌摩擦頭(C)的結構為圓環形，厚度在0.5 5mm。
8.根據權利要求1所述的鋁合金及其複合材料半固態旋轉塗覆釺料方法，其特徵在於釺料屬於半固態，固相分數在40 90%。
9.根據權利要求1所述的鋁合金及其複合材料半固態旋轉塗覆釺料方法，其特徵在於攪拌摩擦頭插入釺料中，但是攪拌摩擦頭與母材不接觸，攪拌摩擦頭與母材之間的距離為 0. 1 2mm。
全文摘要
本發明為了解決現有塗層技術中存在周期較長、易生成A14C3脆性化合物、氧化膜去除不徹底的問題，提出一種鋁合金及其複合材料半固態旋轉塗覆釺料方法，其步驟是一、通過控溫系統和加熱系統使釺料處於半固態，將形釺料預置在待焊表面；二、耐高溫金屬攪拌摩擦頭直接放入預置半固態釺料中預熱，並與待焊表面保持一定的間隙；三、耐高溫金屬攪拌摩擦頭旋轉，使得半固態中的固相成分擠壓以至破碎基體氧化膜，在破碎氧化膜的同時，液相部分覆蓋在基體表面，避免基體二次氧化，並進行勻速相對運動，形成塗覆釺料，直至處理完畢；本發明操作簡單、設備成本低、塗覆釺料溫度低、破除氧化膜率高、不存在二次氧化的及改變基體厚度的優點，提高塗覆質量。
文檔編號B23K103/10GK102179588SQ20111011081
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月29日 優先權日2011年4月29日
發明者李彥, 李春天, 杜長華, 羅怡, 羅泉祥, 許惠斌, 陳軍 申請人:重慶理工大學