一种中厚板合金材料的晶粒细化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种中厚板合金材料的晶粒细化方法，属于金属材料加工及改性技术领域。
【背景技术】
[0002]材料的强度、塑性、韧性会随着晶粒尺寸的减小而得到显著的提高，中厚板合金材料主要是通过乳制得到的，而乳后材料内的晶粒粗大且分布不均匀。因此，通过晶粒细化来改善材料的综合力学性能是国内外一种研究的热点。但是，通过乳制板材获得超细晶材料在现有工艺上仍存在一定的难度。
[0003]搅拌摩擦加工(Frict1n Stir Processing，简称FSP)是由搅拌摩擦焊技术(Frict1n Stir Welding，简称FSW)演变而来的一种用于材料改性或制备复合材料的工艺。FSW是Thomas等人于1991年针对焊接性较差的合金而开发的一种新型固相连接技术。在此基础上，2001年密苏里大学的Mishra教授依据FSW焊接原理，提出了一种适用于材料微观组织改性和制造的方法，即搅拌摩擦加工。
[0004]因此，本发明提供了一种新型、简便的中厚板合金晶粒细化方法，该方法可以有效地细化合金的晶粒。
【发明内容】
[0005]为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种中厚板合金材料的晶粒细化方法。
[0006]为达到上述目的，本发明提供一种中厚板合金材料的晶粒细化方法，该方法是采用搅拌摩擦加工工艺对中厚板合金材料进行晶粒细化的，其包括以下步骤:
[0007]在搅拌头高速旋转的条件下，将搅拌头的搅拌针缓慢扎入所述中厚板合金材料直至搅拌头的轴肩与材料表面相接触，然后使搅拌针在材料中行进，完成第一次搅拌摩擦加工；重复所述搅拌摩擦加工操作，相邻两次搅拌摩擦加工过程中，加工路径之间的距离为
0.1-100_，直至完成中厚板合金材料的晶粒细化。
[0008]根据本发明所述的方法，本发明对搅拌头的搅拌针扎入所述中厚板合金材料的位置不作具体要求，本领域技术人员可以根据材料的形状及现场作业需要选择合适的位置进行扎入，只要能实现本发明的晶粒细化目的即可。
[0009]根据本发明所述的方法，优选地，搅拌摩擦加工过程中，搅拌头的轴肩与材料表面之间的距离为0.05-1.0mm。
[0010]根据本发明所述的方法，在本发明优选的实施方式中，所述“轴肩与材料表面相接触”是指将轴肩下压到距离材料表面0.05-1.0mm，以保证接触的压入量大小合适，飞边均匀。其目的是使轴肩及搅拌针能够与材料充分发生作用，并通过摩擦产生热量，且轴肩还能够对材料起到一定的收聚作用。
[0011]根据本发明所述的方法，本发明对搅拌针在材料中行进的方向和轨迹均不作具体要求，本领域技术人员可以根据材料的形状及现场作业需要使得搅拌针沿着合适的方向和轨迹在材料中行进，只要能够实现本发明的晶粒细化目的即可。
[0012]根据本发明所述的方法，优选地，每次搅拌摩擦加工还包括在同一加工路径进行多道次搅拌摩擦加工操作。
[0013]根据本发明所述的方法，由于一些合金存在单相晶粒快速长大的结晶动力学特性，因此要想获得超细晶粒，可以对中厚板合金材料进行重叠搅拌摩擦加工，即在中厚板合金材料同一加工路径上进行连续的多道次搅拌摩擦加工。如在本发明优选的实施方式中，在中厚板合金材料同一加工路径上进行连续的两道次搅拌摩擦加工，对第一次采用大热量输入加工，第二次采用小热量输入加工，以获得细晶组织材料；所述的大热量输入可以通过采用较小的搅拌针行进速度，较大的旋转速度，较大的搅拌头来实现。
[0014]根据本发明所述的方法，在本发明优选的实施方式中，针对不同厚度的合金材料，可以在同一加工路径进行多道次搅拌摩擦加工，以获得均匀细小的等轴超细晶组织材料。
[0015]根据本发明所述的方法，优选地，所述方法还包括在相邻两次搅拌摩擦加工过程中对所述中厚板合金材料进行热处理工艺。
[0016]根据本发明所述的方法，所述热处理工艺为本领域常规的技术手段，本领域技术人员可以根据现场作业需要，选择合适的热处理条件(如热处理的升温速率、最高温度、最高温度停留时间、冷却速率、冷却时间及冷却介质等)对所述中厚板合金材料进行热处理，以细化中厚板合金材料内的晶粒，获得等轴细晶或超细晶组织材料。
[0017]根据本发明所述的方法，优选地，搅拌摩擦加工过程中，所述搅拌针的行进速度为5-2000mm/mino
[0018]根据本发明所述的方法，优选地，搅拌摩擦加工过程中，所述搅拌头的旋转速度为30-10000r/mino
[0019]根据本发明所述的方法，优选地，搅拌摩擦加工过程中，所述搅拌头的搅拌针压入深度为0.01-3mm。
[0020]根据本发明所述的方法，优选地，搅拌摩擦加工过程中，所述搅拌头的倾角为0_5oo
[0021]根据本发明所述的方法，中厚板合金材料的厚度通常在4-15mm之间，其不仅可以指矩形和正方形材料，也可以是圆形或椭圆形等任意形状的材料。
[0022]根据本发明所述的方法，本发明所用的搅拌头为本领域常规的设备，其示意图如图2所示，该搅拌头包括夹持部分、轴肩和搅拌针辅助执行装置(包括紧定螺钉或转接套)，该搅拌头为一体式搅拌工具，即所述夹持部分、轴肩和搅拌针不分离。根据加工工艺的不同，搅拌针可设计为圆柱体、三棱柱体或带有螺纹或沟槽的结构。对于中厚板合金，轴肩上最好加工成螺旋线或环状结构的凹锥面结构，这样的结构既可以满足材料加工质量控制，还可以有效控制晶粒的粒度。
[0023]本发明所提供的中厚板合金材料的晶粒细化方法的原理是:加工过程中通过搅拌工具的高速旋转并缓慢将搅拌工具扎入工件的待加工部位，旋转过程中搅拌针受到轴向力的作用，扎入材料内部直至轴肩与工件表面接触。搅拌针扎入材料后与材料发生剧烈摩擦和搅拌，由摩擦和剧烈塑性变形产生的热量将加工区内的金属材料软化，同时发生剧烈塑性流动。搅拌工具旋转的同时沿着加工方向与工件相对移动，塑性材料由搅拌工具前部向后部流动，同时在搅拌工具轴肩的挤压作用下形成致密的加工区。在搅拌摩擦加工过程中，材料未达到熔点温度，且受搅拌工具搅拌产生的剧烈塑性变形使加工区晶粒破碎，同时因材料受到大量热导致变形区发生动态再结晶，最终使材料晶粒得到充分细化，从而可以大幅度提高材料的综合力学性能。与其他金属材料晶粒细化技术相比，搅拌摩擦加工技术明显的优势在于:在整个晶粒细化过程中是以摩擦和剧烈塑性变形热作为热源，使用机械加工的方法实现了材料的晶粒细化；并且加工过程中不改变原材料的形状、尺寸，