通过搅拌摩擦加工和搅拌摩擦混合的材料固态处理的制作方法

专利名称：通过搅拌摩擦加工和搅拌摩擦混合的材料固态处理的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及通过搅拌摩擦加工和搅拌摩擦混合的材料的固态加工。
待解决问题的背景搅拌摩擦焊(以下称“FSW”)是一种开发用于焊接金属和金属合金的技术。FSW法常涉及在接头任一侧通过旋转搅拌针或搅拌轴，将两个相邻工件的材料接合。施加力促使搅拌轴和工件相互靠近，搅拌轴与工件相互作用产生的摩擦热会使接头任一侧的材料发生塑化。搅拌轴沿接头移动，随着搅拌轴的前进，使材料发生塑化，紧跟前进搅拌轴的塑化材料会冷却形成焊道。


图1为用于摩擦搅拌焊工具的透视图，其特征在于大体为圆柱形的工具10，其具有轴肩(shoulder)12和从轴肩延伸出的搅拌针(pin)14。搅拌针14相对于工件16转动直至产生足够的热量，此时，工具的搅拌针被插入到塑化的工件材料中。工件16通常为两个在接头线18处邻接的薄板材或厚板材。搅拌针14在接头线18处被插入工件16。尽管该工具已在现有技术中公开，但这里要说明的是该工具可用于新目的。还应注意的是，术语“工件”和“母材”在本文中的使用可相互替换。
搅拌针14相对工件材料16转动产生的摩擦热会引起工件材料软件但不会达到熔点。工具10沿接头线18横向运动，从而随着塑化材料沿搅拌针周围从前缘流动到后缘而产生焊缝。其结果是在接头线18处的固相结合20，与其它焊接相比，通常难以区分固相结合20与工件材料16本身。
据观察，当轴肩12与工件表面接触时，其转动会产生额外的摩擦热，这种热会使插入的搅拌针14周围的更大圆柱形材料发生塑化。轴肩12提供了向前的力，其包含由工具搅拌针14引起的向上的金属流。
在FSW过程中，待焊接区域与工具之间相对移动，从而工具可以越过所需的焊缝接头长度。转动的FSW工具提供连续的热加工作用，当其沿基体金属横向移动时，可以在一个狭窄区域内使金属塑化，同时从搅拌针的前面向后缘传送金属。随着焊接区域的冷却，由于当工具通过时没有产生液体，所以不存在凝固现象。通常(但并非总是)，在焊接区域形成的焊缝是无缺陷、再结晶、具有细晶粒微观结构。
在转动速率为200到2000rpm时，行进速度典型为10到500mm/min。温度通常接近但低于固相线温度。搅拌摩擦焊的参数是材料热属性、高温流动应力和穿透深度的函数。
搅拌摩擦焊与熔焊相比具有如下几个优势1)不存在填料金属；2)工艺可以完全自动化，对操作人员的技术水平要求相对低；3)由于所有加热均产生在工具/工件间的界面，能量输入有效；4)由于FSW的固态特性及极好的可重复性，所需焊后检查也最少；5)FSW可允许界面间隙，因此几乎不需要焊前准备；6)没有需要去除的焊接飞溅物；7)焊后表面光洁度可以特别平滑且几乎没有乃至没有毛刺；8)没有气孔及氧污染；9)几乎不产生以至不产生变形或包围材料；10)由于不产生有害排放物，所以操作人员不需要保护；和11)改善了焊缝性质。
先前的专利文献已经说明了，可以对那些以前认为在功能上不可焊的材料进行搅拌摩擦焊的好处。这些材料中的部分材料是无法熔化焊接，或者根本就难以焊接。这些材料包括例如金属基复合材料，诸如钢或不锈钢的铁合金，及有色金属材料。另一类适合使用搅拌摩擦焊的材料为超级合金。超级合金可以是具有较高熔点的青铜或铝的材料，也可混有其它元素的材料。超级合金的一些实例如镍、铁镍及钴基合金，它们通常用于约1000度以上的温度。超级合金中常见的添加元素包括(但不限于)铬、钼、钨、铝、钛、铌、钽和铼。
应当注意的是，钛也是搅拌摩擦焊的理想材料。钛是一种有色金属材料，但其熔点较其它有色金属材料高。
先前的专利已指出，需要由某种材料形成的工具，该材料的熔化温度高于进行搅拌摩擦焊的材料。在一些实施方案中，工具中使用了超级研磨剂。
本发明的实施方案主要涉及那些功能上不可焊的材料，以及超级合金，本文下文中将它们称为“高熔化温度”材料。
与现有技术相比，利用搅拌摩擦焊的有利特性，并将其用于高熔化温度材料的搅拌摩擦加工的新领域中，这将是一种优势。
材料的液态加工元素周期表概括并组织了元素，这些元素被工程师用于目前所有已开发和生产的材料中。每种元素均可依据温度和压力的不同，而以固态、液态或气态形式存在。从这些元素产生的固体材料，如金属性的铁合金、金属性的有色金属合金、金属基复合材料、金属间化合物、金属陶瓷、硬质合金、聚合物等经特定的加工以产生材料所需物理和机械性能。
上面提到的每种固体材料类型的产生均是通过以某种方式将元素混合在一起，并施加热和/或压力，以便形成液体和/或液-固混合物。然后冷却该混合物以便形成最终的固体材料。所形成的固体材料将具有特有的微观晶体或粒状结构，该结构揭示了诸如加工特征、元素混合物的相、晶粒取向等中的一些。例如，低碳钢是由特定量的碳和铁(和微量元素一起)混合在一起，并加热混合物且到形成液体。该液体冷却并凝固后即形成钢。
冷却速率、随后的热处理及机械加工将会影响钢的微观结构及其所得的性质。微观结构揭示了具有平均特定晶粒尺寸和形状的粒状结构。数十年的研究和工程已经了解并从多种元素中创造不同的材料，利用温度和机械加工产生所需的材料及机械性能。
工程材料，如金属性的铁合金、金属性的有色金属合金、金属基复合材料、金属间化合物、金属陶瓷、硬质合金及其它材料均需要某种工艺，该工艺将某些或全部元素熔化在一起以形成固体。然而，使该液体向固相转变中会出现一些问题。
例如，在液相阶段，温度和/或压力的作用时间常常成为关键变量。当一些元素与其它元素结合形成新相时，其中一些会溶入到亚混合物中，而另外一些则会析出。这种动态行为是元素溶解性、扩散性及热力学行为的复杂相互作用。由于这些复杂性，难以从一开始设计材料。相反，材料的开发要经历试验和误实验的过程。即使当确定了特定的元素组成时，液相加工仍可能具有大量工艺参数，这些参数可以改变最终固态材料的性质。在该液相阶段，时间、温度和压力在决定材料的特性中起着关键作用。混合物中结合的元素越多，液相加工越难以产生可预期的材料。
随着混合物的凝固，会有不希望的相析出到固态结构中，可能形成有害的枝状结构，温度梯度可以产生晶粒尺寸梯度，且产生残余应力，该应力又会引起最终材料变形和不希望的特征出现。凝固缺陷，如开裂和孔隙是经常存在的问题，这些问题会防碍从前期液相形成材料的加工。所有这些问题结合在一起就会降低给定材料的机械性能和材料性质。材料性质的不可预见性会导致由该类材料制成的元件的可靠性的不可预见性。
由于这些凝固问题及由其导致的缺陷，通常需要额外的机械和热加工以便恢复材料的一些所需的性质。这些工艺包括例如锻造、热轧、冷轧及挤出等。不幸的是，机械加工常造成材料具有不希望的方向性质，降低延展性，带来增加的残余应力并增加成本。热处理可用于释放残余应力，但是这些处理可以引起晶粒生长，并产生其它的畸变。
通常，待加工材料的大尺寸会妨碍用于预防晶粒生长的较短处理时间。这些大块材料的热容也会在更长的时期内维持高的温度，其自身也会产生用于有害的大量晶粒生长的环境。不幸的是，通过淬火快速降低块体材料的温度再次成为问题，因为可能形成开裂和接近待形成材料拉伸强度的残余应力。
因此应当清楚的是，当必需使用液相混合物产生固体材料时，设计和生产具有指定晶粒尺寸、晶粒尺寸分布和元素组成且具有所需范围的性质的材料为何如此困难。
许多材料的生产商希望能生产出具有极细晶粒(亚微米级)微观结构，以得到最大的可能材料和可能的机械性能。目前，可通过将晶粒生长抑制元素或混合物添加到加工过程的液相中，得到细晶粒的微观结构。当减小晶粒尺寸时，这些抑制剂通常会引起其它的材料加工问题。其中一些问题包括降低材料强度，晶界缺陷，有害相。因此，需要的是一种加工系统和加工方法，它们将产生一种材料，该材料可以在可能的最低量的热输入条件下，以固态结合在一起。换句话说，所需要的是加工系统和加工方法，它们将通过不使用液相的工艺产生材料。
高温搅拌摩擦焊接工具结合需要由液相到固相转变的材料生产相关的问题，搅拌摩擦焊(FSW)技术的近期发展已产生可用于在搅拌摩擦焊的固态结合工艺中连接高熔化温度材料(如钢和不锈钢)的工具。
如前面所说明的，这种技术涉及使用特殊的搅拌摩擦焊工具。图2显示了多晶立方氮化硼(PCBN)尖端(tip)30、锁环(locking collar)32、阻止运动的热电偶固定螺钉34和轴柄(shank)36。
使用该工具时，它对不同材料的搅拌摩擦焊均有效。当采用PCBN和PCD(多晶金刚石)以外的多种工具尖端材料时，该工具的设计同样有效。一些该类材料包括难熔材料，如钨、铼、铱、钛、钼等。
由于这些尖端材料生产成本通常昂贵，所以具有可替换的尖端的设计对于对于市场而言是一种经济的途径，因为当它们磨损或破裂时可以被替换。
发明简述本发明一方面是提供一种用于材料的搅拌摩擦加工的系统和方法，以便得到有益的微观结构。
本发明的另一方面是提供一种搅拌摩擦加工的系统和方法，以便得到有益的宏观结构。
本发明的另一方面是提供一种搅拌摩擦加工的系统和方法，以提高工件的韧性。
本发明的另一方面是提供一种搅拌摩擦加工的系统和方法，以提高或降低工件的硬度。
本发明的另一方面是提供一种搅拌摩擦加工的系统和方法，以改变工件的目标区域。
本发明的另一方面是提供一种搅拌摩擦加工的系统和方法，用于改变工件，以便改变同一工件的不同区域以具有不同的性质。
本发明的另一方面是提供一种搅拌摩擦加工的系统和方法，以改变工件的表面。
本发明的另一方面是提供一种搅拌摩擦加工的系统和方法，用于改变工件表面和至少一部分工件内部。
本发明的另一方面是提供一种搅拌摩擦加工的系统和方法，其仅仅改变工件的一部分，而不改变其它部分。
在本发明的不同实施方案中，通过使用能够进行搅拌摩擦加工、搅拌摩擦混合或搅拌摩擦焊的工具，在工件上进行固态加工，其中在一些实施方案中固态加工改变工件的性质，同时基本上保持固相，在另外一些实施方案中则允许一些元素经过液相，且其中改变的材料性质包括(但不限于)微观结构、宏观结构、韧性、硬度、晶界、晶粒尺寸、相分布、延展性、超塑性、成核位置密度变化、可压缩性、可膨胀性、摩擦系数、抗磨损性、抗腐蚀性、抗疲劳性、磁性、强度、辐射吸收和导热性。
结合附图考虑下面的详细描述，本发明的这些方面及其它方面、特征、优势对该领域的技术人员是明显的。
附图简述图1为现有技术提出的用于搅拌摩擦焊的工具的透视图，其中该工具可用于执行新的功能。
图2为一种可去除的多晶立方氮化硼(PCBN)尖端、锁环和轴柄的透视图。
图3为具有相同直径的轴肩及轴柄的搅拌摩擦加工工具的一个实施方案。
图4为具有不同直径的轴肩及轴柄的搅拌摩擦加工工具的一个实施方案。
图5为进行搅拌摩擦处理以改变母材性质的母材的剖面图。
图6为母材进行搅拌摩擦加工前的微观结构图。
图7为母材进行搅拌摩擦加工后的微观结构图。
图8为母材的剖面图，该母材的性质通过搅拌摩擦加工改变，且有一覆盖物以确定可以由搅拌摩擦加工材料形成切割边的位置。
图9为显示退火条件下的材料的大晶粒尺寸的微观结构。
图10为经搅拌摩擦混合从而包含另一材料的材料的剖面图。
图11为图10中钢的微观结构的剖面图。
图12为一个实施方案的剖面图，该实施方案用于将一种添加材料112搅拌摩擦混合到另一种材料中，利用栅网或筛网110将添加材料112保持在适当的位置。
图13为将粉末状碳化钨搅拌摩擦混合到钢中后的剖面图。
图14为钢120与碳化钨粉末混合区域的表面微观结构平面图。
发明详述下面参照附图，其中为本发明实施方案中的不同要素指定数字标识，且其中将讨论本发明以便该领域的技术人员可以制作并利用该实施方案。应了解的是下面的描述仅仅是本发明原理的示例，不应认为使后述权利要求变窄。
如下文所解释，本发明适用于几种不同类别的材料。在一个实施方案中，可认为该材料是具有比以前公开的青铜和铝更高熔化温度的材料。这类材料包括(但不限于)金属基复合材料、铁合金(如钢和不锈钢)、有色金属材料、超级合金、钛、和特别用于硬面堆焊钢、空气淬硬钢及高速钢的钴合金。在另一实施方案中，可认为该材料是所有其它具有较低熔化温度的材料，这类材料不包括在上述的高熔化温度材料的定义中。
固态加工在本发明的第一实施方案中，开发了固态加工和固态连接方法，以便为新材料和已存在的材料产生改良的材料及机械性能。应当指出，加工和连接相互之间可以是互斥事件，也可以同时发生。也应当指出，固态加工可与短语“搅拌摩擦加工”交换使用。固态加工在这里定义为临时成为一般不包含液相的塑化状态的转变。然而，应当指出，一些实施方案允许一种或多种成分经过液相，且仍可获得本发明的益处。
随着搅拌摩擦焊(FSW)的发展，当两种或更多种材料结合在一起时，固态连接的好处变得明显。开始曾指出，在转动速率为200到2000rpm时，搅拌摩擦焊工具的典型行进速度为10到500mm/min。然而，应当指出，在本发明的一些实施方案中，行进速度和转动速率可以变化。例如，可以改变工具的直径，以便提高或降低行进速率和转动速率。
本发明中，将该技术的基础在微观尺度上应用于材料，以便能够实现多种形式的固体加工。可使用本方法利用低熔化温度和高熔化温度材料二者合成新材料或已有材料。
本发明的第一个方面是用于进行搅拌摩擦加工的工具。搅拌摩擦加工可以使用图1所示的工具进行。因此，搅拌摩擦加工工具可以具有轴柄、轴肩和搅拌针。在一个实施方案中，转动搅拌针并将其插入待加工材料中。工具横向移过材料的加工区域。正是这种在固态加工中引起材料经历塑化的作用，可以导致被改性的材料具有不同于原始材料的性质。
本发明的另一个实施方案是使用如图3所示的工具。图3为圆柱形搅拌摩擦加工工具50的剖面图。搅拌摩擦加工工具50具有轴柄52和轴肩54，但没有搅拌针。因此，不是将搅拌针插入待固态加工的材料，而是将轴肩压在材料上。由于轴肩具有比搅拌针更大的表面，因此轴肩的穿透通常限于材料的表面或稍低于表面。
应当指出，虽然图1中工具10的搅拌针14不必插入材料中，可以对搅拌针加以设计以便于穿透。因此，由于搅拌针14与图3中的工具50相比更可能具有极小的表面积，搅拌针更有可能插入材料中。然而，在加工更小面积的材料时，使用更小表面积的搅拌针14则具有优势，即使仅在其表面上也是如此。因此，本发明的另一个实施方案是，也可使用典型用于材料的穿透和连接的工具来实现表面和近表面加工。
图4为不带搅拌针的工具的一个替代实施方案。图4显示了具有轴柄62的工具60，该轴柄的直径比轴肩64小。这种设计可根据轴肩64的直径尺度而更加经济。
不应从图3和图4中的轴肩54和64的形状作出任何推断，认识到这一点很重要。轴肩54和64仅为图示用，其确切的剖面形状可以改变以达到特定的结果。
实验结果已证实，在搅拌摩擦加工过程中，被加工材料可以经过几个重要变化。这些变化包括，但不应认为局限于，以下几个方面韧性、硬度、晶界、晶粒尺寸、相分布、延展性、超塑性、成核位置密度改变、可压缩性、可扩展性、摩擦和导热性。
关于成核，观察表明，由于搅拌摩擦加工过程中产生的热量和变形而引入到材料中的能量，从而可能存在更多的成核位置。因此，更多溶解材料可能从溶体中出来或析出形成更高密度的沉淀物或第二相。
作为一个实例，考虑说明通过将工具插入材料中经过搅拌摩擦加工的材料剖面的以下附图。在观察附图时，应了解如果不将工具插入被加工材料中，可以在较小尺度上得到相似或相同的结果。
图5中，通过将与图2相似的工具插入母材70中，并沿母材中间长度横向移动工具，对ATS34钢段进行搅拌摩擦加工。横向运动将与页面方向垂直，因此图5为母材70的剖面图。
图5显示，工具从顶端72插入母材70中。以小圈的形式出现的几个区域为在母材的不同地方已相对洛氏指标测试硬度的地方。搅拌区域74具有60RC的硬度。靠近内部TMAZ(热机械影响区域)和外部HAZ(热影响区域)的边界处，母材70在位置76处具有44RC的硬度值。最后，在近似位于位置78处，显示了保留(在其它试样中)其原始硬度值12RC的未加工或原始的母材区域。
图6用于说明加工的母材80的微观结构。该图显示，搅拌摩擦加工已产生了马氏体，该马氏体标志着已加工的母材80的更硬的相。
类似地，图7也说明了经搅拌摩擦加工后的材料80的微观结构。该图显示加工后的母材80的晶粒尺寸减小。
为了比较，图5中母材70的热处理将典型导致硬度值低于60RC。在本发明的一些实施方案中，可以选择性地搅拌摩擦加工大部分母材70，而以其它热处理方法则很难将其实现。此外，材料设计者对于待接受加工的材料区域中具有更多的选择。而且，尽管热处理将改变材料的微观结构，但该变化将与以搅拌摩擦加工得到的变化不为相同类型。例如，加工过的区域也会在韧性方面经历显著增长。这一点值得注意，因为在使用传统热处理技术处理材料时，在韧性和硬度之间典型存在折衷。
在另一个实施方案中，沿着由D2钢形成的构件的边缘对其进行搅拌摩擦加工。加工边缘后，测定了沿构件宽度方向从内部未加工区域到已加工区域的硬度。搅拌摩擦加工产生的材料硬度梯度图表1所示。在本实施例中，搅拌摩擦加工导致在搅拌摩擦区域硬度性能的明显提高以及韧性的改善。
图表1图8显示了位于ATS-34钢母材70上切割边的覆盖物90。覆盖物90代表切割边的一个有利配置，该切割边可由材料70机加工得到，其中该配置充分利用了搅拌摩擦加工过的材料70的韧性和硬度特性改善的优点。应当指出，切割边覆盖物90在加工过的区域74中形成，区域74将会产生硬且仍有韧性的切割边。同样，任何由加工过的材料形成的物体均可进行配制，以在其对物体而言是最为关键的位置提供最有利的性能。在该实施例中，有益的切割边可通过在加工的材料内部具有边而得到。
图9有助于比较图6和图7中加工后母材80的微观结构，未经加工的母材80也示于此。该微观结构显示了搅拌摩擦加工前的母材80的退火条件下的大晶粒尺寸。
图5到图8说明了本发明有关搅拌摩擦加工的方面。在这种情况下，当以本发明所述方式对单一材料进行单独加工时，使用术语“加工”。术语“加工”同样可用于至少两种材料混合到一起的情形。然而，为了清楚起见，混合至少两种材料的这种概念可称为“搅拌摩擦混合”。
图10为母材的剖面图，该母材经过搅拌摩擦混合，从而包含另一种添加材料。具体地，搅拌摩擦混合钢构件100，以使金刚石颗粒102进入钢构件中。
图11为钢构件100的微观结构剖面图。该图显示金刚石颗粒102存在于钢构件100的整个混合区域。
图12为一个实施方案的剖面图，该方案用于搅拌摩擦混合一种添加材料112到另一种材料中，使用栅网或筛网110将添加材料112保持在位置。特别是，钢栅网或筛网110用于保持粉末状碳化物112。筛网110和碳化物粉末112位于母材114的表面。然后对母材114的表面进行搅拌摩擦加工，在母材表面得到不锈钢110、碳化物112和母材114的混合。作为替代方案，可以使用具有搅拌针的工具将不同的材料进一步混入母材114中，或是利用具有轴肩的工具以强力压入母材。
图13为搅拌摩擦混合粉末状碳化钨到钢构件120中后的剖面图。
图14为钢构件120与碳化钨粉末混合的区域表面的微观结构平面图。
本发明的另一方面是同时进行固态加工和连接的能力。考虑焊在一起两个工件。工件的材料可以相同，也可以不同。通过搅拌摩擦焊将工件连接在一起，所得材料在焊接区域的性质可以与被连接在一起的材料的性质明显不同。
如图12所示，该实施方案表明，对于搅拌摩擦混合可以将一种材料到入母材。然而，本发明不应被认为限于这一种设计。引入添加材料的一些其它方法包括(但不限于)将装填的粉末埋入(entrench)到工件表面中，将材料夹在待连接工件之间，且甚至是用粘合剂将添加剂粘到工件上直至搅拌摩擦混合在一起。可以选择粘合剂以便在搅拌摩擦混合中烧掉，从而不影响所得的混合材料。然而，应当意识到可能需要包含用于将添加材料固定于母材上的任何材料。
引入添加材料的另一方法是使用可消耗工具。例如，搅拌针可以包含一种材料，该材料将腐蚀进入到母材中。因此，该搅拌针包括添加材料。
本发明也可以认为是一种新的装置，其可以将能量引入到材料加工中。基本上，在固态加工中使用机械能以改变材料。机械能作为热量和变形的形式，该热量和变形由搅拌摩擦加工或搅拌摩擦混合作用产生。
本发明的另一方面是改变和控制加工后的材料中残余表面及亚表面应力的能力。在一些实施方案中，可以引入或提高压应力，但是在另一些实施方案中，也可以减少不需要的应力。
在一些高熔化温度材料中，控制残余应力可能特别重要。搅拌摩擦加工和搅拌摩擦混合包括使工件与旋转的(或其它方式运动)搅拌摩擦加工或搅拌摩擦混合工具相接触，因此产生材料固态加工以改变沿材料表面的应力。应力的减小不应认为仅限于表面。在其它实施方案中，改变亚表面应力方面也是本发明的一部分。
一些实施方案也可使用户通过控制工艺参数来控制加热和冷却的速率。搅拌摩擦加工和混合的参数包括工具的相对运动(如工具的转动速度和平移速度)、工具穿透深度、施加到工具上的向下的压力、随冷却媒介(水冷)的冷却速度，等等。
对于搅拌摩擦混合，添加材料的性质也可直接影响所得加工区域的性质。上文讨论了粉末和金刚石颗粒。在另一替代实施方案中，添加材料的物理结构可以影响最终性质。例如，纤维或其它类型的长粒子可以混入混合区域内部或外部区域中的母材。此外，添加材料可以比母材或其它添加材料硬或软。
可以选择所有添加材料，以便控制母材的机械性能，如抗磨损性、抗腐蚀性、硬度、韧性、防止开裂性能、抗疲劳性、磁性能和氢脆。例如，通过机械法或固态扩散，可以使硬颗粒保持在适当的位置，并具有比铸造结构更大的保持力，因为混合区域的强度可以大于或可以不大于母材。
硬颗粒可以包括碳化钨、碳化硅、氧化铝、立方氮化硼和/或金刚石或任何比母材硬的材料，这些材料在混合温度(通常为比母材熔点低100到200摄氏度)下将不会完全进入溶体。此外，可将纤维以相同的形式加入以便局部强化母材或增加方向性。
可以根据进入溶体的能力具体选择添加材料，以获得处理过的母材的某些特殊性质。添加剂还可以提高韧性、硬度、增强热性能等。
将添加材料加入母材的另一优势是颗粒或纤维可以从一些材料中选择，这些材料不能用于熔融或硬面堆焊处理中，因为它们在母材处于液相时将进入溶体。在搅拌摩擦加工中，可以避免颗粒/纤维和母材的共晶组合物出现，因此可以获得双重性质。可以改变颗粒/纤维向母材中的引入，从而在给定的工件中调节不同的性质。
例如，具有长搅拌针的工具可以用于搅拌颗粒/纤维达到较深的深度，并然后使用第二个具有短搅拌针的工具，以在不同深度搅拌不同的颗粒/纤维从而在母材中形成分层特征。混合区域的几何，颗粒/纤维组成、颗粒/纤维尺寸、颗粒/纤维在母材中的分布和位置可以为指定的物体提供工程上的磨损和强度特征。
可以使用与图2所示的工具相似的搅拌摩擦加工工具用于创造新材料和改变现有材料。例如，粉末状的元素可以置于模具中。工具10可以转动并插入粉末中以产生热。当工具10横穿粉末时，发生固态扩散以将粉末与母材以固态形式结合。同样，可以在材料中开槽并用粉末填充，该粉末具有各种元素的混合物，然后进行搅拌摩擦加工将材料混合在一起。
或者，可以将材料直接加到材料的表面，或者将其夹在两块材料(如钢)之间，然后搅拌摩擦加工从而将材料连接到一起。也可用其它方法与搅拌摩擦混合一起将材料混合到一起。
当搅拌摩擦混合时，粉末与母材经搅拌摩擦混合混合，从而在搅拌区域中形成具有改变性质的材料。在所选的实施方案中，该工艺几乎不产生热且具有低的能量输入，需要极短的在温时间，通常具有较少的固化缺陷，且可实现完全自动化。方便地，由于固态特性和极好的加工可重复性，一个或多个实施方案需要最少的后处理检查。
该加工方法可容许界面间隙，并因此几乎不需要加工前准备，没有需要去除的材料飞溅。在所选的实施方案中，加工后的表面的光洁度特别光滑且几乎没有以至没有毛刺。不象其它方法，依照本发明的一些实施方案进行搅拌摩擦加工，几乎没有孔和氧污染以及几乎没有或没有变形。而且，搅拌摩擦加工可以在受控的气体或液体环境中进行。
可以以固体形式、粉末形式、纤维形式、板材形式、线材或一系列复合材料组合物的形式元素，合金，金属，和/或其它材料类型进行加工。在一些实施方案中，目前可以设计新材料，而不需考虑液相问题。
表1显示了如何影响材料性能的一些例子。应注意，通过搅拌摩擦加工或搅拌摩擦混合，添加材料会抵消所需的材料性质。
表1应了解，上述的安排和实施方案仅仅作为本发明原理应用的解释。本领域技术人员可以在不背离本发明的主旨和范围的情况下设计出大量的修改和可替代安排。附属权利要求的意图是包括这些修改和安排。
权利要求
1 一种通过搅拌摩擦加工改变母材性质的方法，所述方法包括以下步骤1)提供高熔化温度的母材；2)提供搅拌摩擦加工工具，该工具包括熔化温度在其一部分上高于母材的材料；和3)搅拌摩擦加工该母材，从而改变其至少一种性质。
2 根据权利要求1所限定的方法，其中该方法进一步包括引起显著的固态变形而不经过母材液态的步骤。
3 根据权利要求1所限定的方法，其中提供高熔化温度母材的步骤包括，从一组高熔化温度材料中选择该高熔化温度母材，该组高熔化温度材料包括铁合金，有色金属材料，超级合金，钛，典型用于硬面堆焊的钴合金，和空气淬硬钢或高速钢。
4 根据权利要求1所限定的方法，其中该方法进一步包括合成新材料的步骤，该新材料具有至少一种与母材不同的性能。
5 根据权利要求1所限定的方法，其中该方法进一步包括以下步骤1)提供添加材料；和2)将添加材料搅拌摩擦混合到母材中，从而改变母材的至少一种性质。
6 根据权利要求1所限定的方法，其中该方法进一步包括改变母材微观结构的步骤。
7 根据权利要求6所限定的方法，其中该方法进一步包括改变母材宏观结构的步骤。
8 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括提高母材的韧性。
9 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括提高或降低母材的硬度。
10 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括改变母材的晶界。
11 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括减小母材的晶粒尺寸。
12 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括改变母材的相分布。
13 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括改变母材的延展性。
14 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括改变母材的超塑性。
15 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括提高母材的成核位置密度。
16 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括改变母材的可压缩性。
17 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括改变母材的延展性。
18 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括改变母材的摩擦系数。
19 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括提高或降低热导率。
20 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括提高抗磨损性。
21 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括提高抗腐蚀性。
22 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括改变磁性能。
23 根据权利要求1所限定的方法，其中该方法进一步包括仅改变母材的特定区域的步骤。
24 根据权利要求1所限定的方法，其中该方法进一步包括步骤改变母材，以便具有至少两个搅拌摩擦加工区域，其中该至少两个搅拌摩擦加工区域具有至少一种彼此不同的性质。
25 根据权利要求1所限定的方法，其中该方法进一步包括通常仅在母材表面上或表面附近进行搅拌摩擦加工的步骤。
26 根据权利要求1所限定的方法，其中该方法进一步包括搅拌摩擦加工至少一部分母材内部的步骤。
27 根据权利要求1所限定的方法，其中提供包括比母材具有更高熔化温度的材料的搅拌摩擦加工工具的步骤包括在搅拌摩擦处理工具中使用超级研磨剂。
28 根据权利要求1所限定的方法，其中该方法进一步包括选择较低熔化温度的难焊接材料的步骤，该材料包括金属基复合材料。
29 根据权利要求1所限定的方法，其中该方法进一步包括步骤搅拌摩擦混合母材，以便在焊接区域形成新材料，该母材选自高熔化温度组和较低熔化温度组。
30 根据权利要求1所限定的方法，其中该方法进一步包括步骤将母材搅拌摩擦焊接于至少一个其它工件，其中母材与至少一个其它工件之间的焊接区域具有与母材及该至少一个其它工件不同的性质。
31 根据权利要求1所限定的方法，其中提供搅拌摩擦加工工具的步骤进一步包括提供具有轴柄、轴肩和搅拌针的搅拌摩擦加工工具的步骤。
32 根据权利要求31所限定的方法，其中提供具有轴柄、轴肩和搅拌针的搅拌摩擦加工工具的步骤进一步包括包含超级研磨材料的步骤。
33 根据权利要求32所限定的方法，其中该方法进一步包括不将搅拌针插入母材进行搅拌摩擦加工的步骤。
34 根据权利要求1所限定的方法，其中提供搅拌摩擦加工工具的步骤进一步包括提供具有轴柄和轴肩的搅拌摩擦加工工具的步骤。
35 根据权利要求1所限定的方法，其中该方法进一步包括使母材中的硬度梯度介于母材的已加工区域和未加工区域之间的步骤。
36 根据权利要求1所限定的方法，其中改变微观结构的步骤进一步包括将能量引入母材，从而改变已加工母材的性质。
37 根据权利要求1所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括改变母材中的残余应力部分。
38 根据权利要求38所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括改变母材中的残余表面应力。
39 根据权利要求39所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括改变母材中的残余亚表面应力。
40 根据权利要求1所限定的方法，其中该方法进一步包括在搅拌摩擦加工过程中通过控制工艺参数控制母材的加热和冷却速度的步骤，从而控制加工后母材的性质。
41 根据权利要求40所限定的方法，其中该方法进一步包括步骤从工艺参数组中选择工艺参数，该参数组包括工具相对母材的转动速度，工具沿母材的平移速度，工具穿透进入母材的深度，工具施加至母材上的作用力和冷却媒介的存在。
42 根据权利要求5所限定的方法，其中该方法进一步包括从一组性质中选择添加材料性质的步骤，该组性质包括硬颗粒，软颗粒，长颗粒和纤维颗粒。
43 根据权利要求5所限定的方法，其中该方法进一步包括从如果暴露于液态母材中则会进入溶体的添加材料中选择添加材料的步骤。
44 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括提高或降低母材的强度。
45 根据权利要求7所限定的方法，其中改变微观结构的步骤包括提高或降低母材的辐射吸收。
46 一种通过搅拌摩擦加工改变母材性质的系统，所述的系统包括高熔化温度的母材；和搅拌摩擦加工工具，该工具包括熔化温度在其一部分上高于母材的材料，其中该工具用于进行搅拌摩擦加工，从而引起母材的固态转变，其中母材的性质被改变。
47 根据权利要求46所限定的系统，其中该工具进一步包括轴柄、轴肩和搅拌针。
48 根据权利要求46所限定的系统，其中该工具进一步包括轴柄和轴肩。
49 一种通过搅拌摩擦加工改变母材性质的方法，所述的方法包括以下步骤1)提供高熔化温度的母材；2)提供搅拌摩擦工具，该工具包括熔化温度在其一部分上高于母材的材料；和3)相对母材移动工具，从而引起母材的固态转变，其中母材的性质被改变。
50 根据权利要求49所限定的方法，其中该方法进一步包括从超级研磨工具移动的组中选择超级研磨剂工具移动的步骤，该组包括旋转移动和线性移动。
全文摘要
使用一种可以进行搅拌摩擦加工、搅拌摩擦混合或搅拌摩擦焊接的工具，在工件上进行固态加工，其中在某些实施方案中，固态加工可在基本上保持固相的情况下改变工件的性质，在另外一些实施方案中，允许一些元素经过液相，其中改变的材料性质包括(但不限于)微观结构、宏观结构、韧性、硬度、晶界、晶粒尺寸、相分布、延展性、超塑性、成核位置密度变化、可压缩性、可膨胀性、摩擦系数、抗磨损性、耐蚀性、耐疲劳性、磁性、强度、辐射吸收和导热性。
文档编号B23K31/02GK1968783SQ200580011748
公开日2007年5月23日 申请日期2005年3月24日 优先权日2004年3月24日
发明者斯科特·M·帕克, 理查德·A·弗拉克, 拉塞尔·J·斯蒂尔, 蒙特·E·拉塞尔, 布赖恩·E·泰勒 申请人:Sii米加钻石公司, 先进金属产品公司