一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及熔敷涂层的技术领域，特别涉及一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法。
【背景技术】
[0002]揽摔摩擦焊(Frict1n Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所(The WeldingInstitute，简称TWI)于1991年研究发明的一种先进的固相连接技术。通过搅拌针和轴肩与工件间的摩擦热，在搅拌针的附近形成塑性软化层，软化层在搅拌头高速旋转的作用下填充入搅拌针后方所形成的空腔内，从而实现可靠的连接。它具有焊接接头强度高、焊接工件变形小、不易产生有害相等优点。目前，被焊材料已从铝合金逐渐扩展到镁合金、铅合金、铜合金、钢、钛合金以及复合材料等。
[0003]搅拌头由夹持部分、轴肩和搅拌针组成，搅拌摩擦焊接过程中受损部位主要是轴肩和搅拌针。搅拌头材料和结构设计是搅拌摩擦焊技术的核心，是决定搅拌摩擦焊技术能否扩大待焊材料的种类以及能否提高待焊材料板厚范围的关键。搅拌摩擦焊的实质是搅拌头与被焊材料之间发生热-机械作用并形成接头，在此过程中搅拌头直接承受焊接过程的热载、力载及摩擦磨损，因而要求它在焊接条件下具有高于被焊材料的熔点、强度、硬度和韧性，应由具有良好耐磨损和耐高温热稳定性材料制成，并具有特定力学特征的几何形貌和尺寸，以获得较长使用寿命的搅拌头及高质量的焊接接头。在焊接铝、镁、铅等低熔点材料时，搅拌头采用工具钢、不锈钢即可满足使用要求，但对于钢、铜、钛等高熔点材料来讲，焊接时最高温度在1000°C以上，在如此高的温度下能满足使用要求的搅拌头材料往往是难熔金属合金或者结构陶瓷。
[0004]目前，国内外高熔点搅拌头材料主要有纯钨(CPW)、多晶立方氮化硼(PCBN)、钨基合金(钨-铼W-Re、钨镧W_l%La)等。为了能降低成本，研究者尝试采用工具钢、硬质合金、金属陶瓷等作为高熔点材料搅拌摩擦焊用搅拌头材料。以上材料中工具钢的综合性能比较好，但最高工作温度达不到钛合金的焊接温度;而工作温度比较高的硬质合金、金属陶瓷等材料，搅拌头的可加工性相对较差。另外，采用单一金属材料制造的搅拌头很难同时满足对耐磨损性和高温热稳定性的要求，并且金属材料的耐磨性是非常有限的，搅拌头轴肩和搅拌针的磨损必将使机械力和摩擦热发生变化，影响后续焊接接头的可靠性和稳定性。因此，急需找到一种有效方法来提高搅拌摩擦焊用搅拌头的耐磨损性和耐高温热稳定性。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，工艺简单，生产成本低廉，焊接效率高，可以有效提高搅拌头的使用寿命，使搅拌头具有优越的耐磨损性能与耐高温热稳定性能。
[0006]为了达到上述目的，本发明的技术方案为:
[0007]—种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，包括以下步骤:
[0008](1)加工制造搅拌头基体:
[0009]将铸态高速工具钢W18Cr4V采用自由锻+模锻锻造技术加工成所需的毛坯搅拌头，毛坯搅拌头包括夹持部分1、凹型轴肩2和锥形搅拌针4，夹持部分1与凹型轴肩2圆弧过度，凹型轴肩2与锥形搅拌针4为圆弧过度，锻造后的毛坯搅拌头立即放入白灰箱缓冷，缓冷至室温后进行等温退火，随后采用磨削加工去除锻造氧化皮并修整夹持部分1、凹型轴肩2和锥形搅拌针4，再采用淬火+三次回火热处理工艺获得搅拌头基体。
[0010]所述的自由锻+模锻是将铸态高速钢先经过自由锻方式反复镦粗和拔长，再经过模锻方式成形。
[0011]所述的等温退火是将搅拌头基体加热至850-870°C，保温3-4h后采用10-20°C/h的速度冷却至500°C以下出炉，或冷却至740-760°C，保温4_6h后，再冷却至600°C以下出炉。
[0012](2)配制耐磨耐高温涂层粉末:
[0013]耐磨耐高温涂层粉末的原料包括:WC陶瓷增强相粉末、稀土氧化物La203、γ'相生成元素Al、Ti粉末、稳定γ,相元素Nb粉末以及镍基自熔性合金粉末Ni60，按重量百分比依7*S:(20?25)%WC、(0.8?1.2)%La203、(3.2?3.7)%Al、(3.0?3.5)%T1、(0.6?1.0)%Nb，余量为Ni60，上述粉末粒度为:-100?+300目；稀土氧化物La203纯度为99.99%；镍基自熔性合金Ni60，其组分的质量百分含量为碳1.6?1.85 %，硅4.0?4.7%，硼2.9?3.1 %，铁3.3?3.5%，铬15.6?15.9%，余量为Ni ；将上述按比例配置好的原料粉末置于密封容器中，放入混料机中机械混合1?3h使之均匀，再对混合好的粉末用干燥箱160°C下干燥2h。
[0014](3)搅拌头基体表面预置耐磨耐高温涂层粉末。
[0015]将步骤2按一定比例配制混合好的镍基陶瓷复合合金原料粉末采用预置粉末的方法预置到搅拌头凹型轴肩2和锥形搅拌针4基体表面，使预置粉末层厚度为0.8?2.0mm。
[0016]所述预置粉末方法步骤为:
[0017]—、将质量浓度5%的PVA粘结剂加入混合均匀的粉末搅拌调成糊状态，两者质量比为1:2;
[0018]二、将糊状态预置粉末放入烘箱50°C保温20min;
[0019]三、将充分稀释的糊状预置粉末均匀涂覆在凹型轴肩2和锥形搅拌针4基体表面；
[0020]四、采用与凹型轴肩2和锥形搅拌针4形状一致的模具压平预置粉末层；
[0021 ]五、将预置粉末层自然干燥后再放入烘箱45°C烘干3.5?4h待用。
[0022](4)耐磨耐高温涂层制备:
[0023]采用半导体激光器使预置在凹型轴肩2和锥形搅拌针4表面的镍基陶瓷复合合金粉末与基体表面层同时熔化，快速凝固后形成与基体成冶金结合的耐磨耐高温涂层；凹型轴肩2表面涂层形状为环形3，锥形搅拌针4表面涂层形状为螺旋形5。
[0024]所述凹型轴肩2表面涂层形状为环形3，其具体工艺为:采用激光器熔敷凹型轴肩2表面预置的镍基陶瓷复合合金粉末获得涂层，涂层为由轴肩外圆到轴心厚度逐渐减薄的三个环形同心圆耐磨耐高温涂层，环形宽度2?2.5mm，环形涂层厚度由最外层1?1.5mm逐渐减薄到最内层0.5?0.8mm。
[0025]锥形搅拌针4表面涂层形状为螺旋形5，其具体工艺为:采用激光器熔敷锥形搅拌针4表面预置的镍基陶瓷复合合金粉末获得螺旋形涂层5，锥形搅拌针4锥度为1:1.5;螺旋形涂层5螺旋升角为:60?75° ;螺旋形涂层5宽度2?2.5mm;螺旋形涂层厚度0.5?0.8mm;螺旋形涂层为左旋，断面为圆弧形。
[0026]所述耐磨耐高温涂层粉末的原料，采用激光熔敷制备成耐磨耐高温涂层，其主要相组成包括:丫-祖、卩6附3、恥(:、02305、07(:3、附3(厶1，11)型丫/相及1102。
[0027]本发明可用于其它零部件耐磨耐高温性能的提高和改善，也可用于耐磨耐高温零部件表面的修复与强化，使其具有优越的耐磨耐高温性能。