表面搅拌摩擦工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及耐腐蚀金属物体，以及利用表面搅拌摩擦(FSS)来增强金属物体的耐腐蚀性。
【背景技术】
[0002]大多数金属，甚至是海洋级别金属，在水环境中均显示出腐蚀的迹象，其中水环境包括盐水环境、淡盐水环境和淡水环境中。腐蚀在冷的、深盐水环境中表现得特别明显。随着时间过去，腐蚀对于暴露在水环境中的金属物体的长期操作维持会是有害的。
[0003]使用搅拌摩擦焊(FSW)将两种金属物体连接在焊接接头处是公知技术。当这些物体暴露在水环境中时，可以观察到，尽管在金属物体上基体金属合金中的FSW接头以外的位置处发生了严重的腐蚀，但是在FSW接头处，很少或者没有腐蚀发生。
【发明内容】
[0004]介绍了一种在金属物体表面上使用的被称为表面搅拌摩擦(FSS)的工艺。该FSS发生在金属物体的与FSW焊接接头分开的位置处的一部分或整个表面上。表面上的FSS工艺在物体上形成了耐腐蚀的、机械转化的“涂层”。该机械转化涂层是由已经进行FSS加工的物体材料的厚度所形成的。机械转化涂层能够是金属物体厚度的一部分或者是物体的全部厚度。
[0005]FSS与FSW是相似的在于，使用旋转工具来软化或者塑化金属材料。然而，FSS发生在金属物体的表面上方，而不是两个物体之间的接头处。FSS工艺能够使用用于形成FSW焊接接头的常规的FSW工具，或者将常规的FSW工具按比例增加尺寸从而用于与经受FSS处理的更大表面一起使用。
[0006]FSS工具能够使用在多个搅拌路径中。例如，FSS工具能够沿着在金属物体上的直线路径穿过，该金属物体在一个方向或两个方向(即，往复地)上进行搅拌。在另一实施例中，FSS工具能够从中心开始并且以螺旋图案向外行进。在另一实施例中，FSS工具在金属物体上能够沿着正方形或者矩形图案行进且向外或向内行进。其它行进路径也是可能的。
[0007]FSS能够发生在金属物体上进行机械加工操作之前或之后。该金属物体能够具有任何形状或尺寸，且能够是板、棒、杆、管或其它形状。FSS能够发生在任何形状的表面上，例如，平坦或平直表面、曲面、或曲面与平面的组合。
[0008]经受FSS处理的物体能够是由以下金属合金形成的，包括但不限于:铝合金(2xxx、3xxx、5xxx、6xxx和7xxx系列的合金)，特别是海洋级别招合金(5xxx和6xxx系列)、钛合金、钢合金(例如不锈钢)以及其它。
[0009]所产生的FSS机械转化涂层明显厚于常规的耐腐蚀转化涂层，例如5-10倍的厚度。尽管这些FSS涂层比常规的化学转化涂层厚，但是它们与FSS涂层搅拌区周围或其下的基体金属是一体的。如果该基体金属和FSS涂层的热性质不相同的话，则其非常近似。因此，FSS涂层具有优于常规的表面涂层优点，即其不存在常规涂覆工艺通常所困扰的剥离问题，并且更厚的FSS涂层在海洋或其它腐蚀性环境中明显产生更长的使用寿命。FSS机械转化涂层由于不使用单独的涂层材料，因此对环境很友好。由于FSS工艺已经溶解大多数沉淀物或使其最少化，因此FSS机械转化涂层含有更少且更小的沉淀物和更加清晰的晶界，而不会影响金属物体的热性能或其它材料性质。
[0010]在一个示例性申请中，FSS工艺能够用于旨在使用于水中的物体上，包括盐水、淡盐水和淡水。例如但不限于，该金属物体能够是在海洋热能转换装置、海水淡化装置或船舶中所使用的物体。在其预期的使用过程中，物体能够被放置在水下、水上或在水上方但并不暴露至水(即，浪花、盐雾、或其它海水层环境)，或其组合。FSS工艺能够用于在使用中暴露至水和/或海水环境的金属物体的部分或全部面积上。
[0011]FSS工艺能够与FSW —起使用来产生由单一金属材料形成的水下结构。例如，在海洋热能转换系统(OTEC)中，包括壳、板和管的热交换机能够完全由铝合金形成，因此省去了不同金属以及电耦合的使用。
[0012]在一个实施例中，表面搅拌摩擦工艺包括使用搅拌摩擦焊工具对金属物体的无接头或FSW连接表面的至少一部分进行表面搅拌摩擦。此实施例能够与此文中所包含的任何从属权利要求组合使用，并且从属权利要求能够以任意组合的方式使用。
[0013]在另一实施例中，该工艺包括使用搅拌摩擦焊工具对金属物体的未连接表面进行表面搅拌摩擦。此实施例能够与此文中所包含的任何从属权利要求组合使用，并且从属权利要求能够以任意组合的方式使用。
[0014]在另一实施例中，提高金属物体耐腐蚀性的方法包括使用搅拌摩擦焊工具对金属物体的未连接的或FSW连接表面的至少一部分进行表面搅拌摩擦。此实施例能够与此文中所包含的任何从属权利要求组合使用，并且从属权利要求能够以任意组合的方式使用。
【附图说明】
[0015]图1A-D图示了其表面正进行FSS工艺的物体的一部分。
[0016]图2图示了其表面正进行FSS工艺的物体的一部分，该部分与物体上的FSW接头是分隔开的。
[0017]图3A-C是图不了在物体进行FSS的另一个不例的侧视图，其在FSS之后进行机械加工。
[0018]图4是已经由FSS处理过的管的端视图，其图示了 FSS机械转化“涂层”。
[0019]图5A-B图示了具有物体的整个厚度的FSS的示例。
[0020]图6A-C图示了形成FSS管的工艺。
[0021]图7A-B图示了可替代的形成FSS管的工艺。
[0022]图8A-C图示了能够形成的不同FSS管形状和FSS管表面的示例。
[0023]图9A-C图示了具有不同表面光洁度的FSS物体的示例。
【具体实施方式】
[0024]以下描述介绍了在金属物体的表面上使用FSS工艺的过程。FSS工艺发生在金属物体的部分或全部表面上，穿过该物体的一部分或整个厚度。该金属物体能够具有一个或更多个FSW焊接接头，或者没有FSW焊接接头。在表面上的FSS工艺在物体上产生耐腐蚀机械转化“涂层”，下文其将被称为“涂层”。该“涂层”由FSS处理过的物体材料的厚度所形成，其取决于在FSS工艺中所使用的旋转工具的穿透深度。
[0025]FSS工艺与FSW是类似的在于其使用旋转工具软化或塑化金属材料。然而，FSS工艺发生在金属物体的表面上方，而不是像FSW那样发生在两个物体之间的接头处，并且其不用于将两个物体连接在一起。
[0026]现在参照图1A-D，图示了金属物体10的正进行FSS工艺的一部分。物体10包括表面12，其能够是平的或者弯曲的。FSS工具14用于在表面12上实施FSS工艺。在此示例中，FSS工具14在构造和操作上能够与常规的用于形成FSW焊接接头的FSW工具相同，或者工具14能够与常规的FSW工具相似，只是按比例增加其尺寸用于与经受FSS处理的更大表面12—起使用。
[0027]本领域技术人员将理解到的，当与物体表面接触时，FSS工具14以高速旋转。工具14将金属材料软化或塑化至一定深度，该深度是由工具14至物体表面12中的穿透深度所决定的。一旦工具穿过金属，其在该针状工具后面搅拌金属并使其固结在工具肩部下方。所产生的表面“涂层”将包括带有非常细小的等轴晶粒的金属。因为在FSS工艺期间没有发生熔化，因此该操作全部在固态下进行。
[0028]在此示例中，FSS工具14在表面12上沿着图1B中箭头所示的行进方向15移动，从而产生FSS区域16 (FSS区域16在图1B和图1D中以虚线表示)。如图1C所示的，在每条路径完成之后，工具14沿着箭头方向移动(或者物体相对于工具移动)来完成新的FSS路径。如图1D所指出的，该过程在物体10的除了边界之外的全部表面区域上重复进行，或者仅在一部分表面区域上进行。
[0029]在图1A中，FSS工艺开始于通过将FSS工具插入物体，并且沿着物体的长轴向北平移且在工具到达物体的端部之前停止。然后FSS工具能够平移回到初始开始位置并且移动足够的距离来保证将实现FSS区域的充分重叠。FSS工具然后再次沿着物体向北平移，并且重复该移动操作直到整个物体都与FSS区域重叠。可替代地，FSS工具能够在每条路径的端部处停止并且在工具仍然施加载荷和旋转的同时进行移动。然后该工具再次沿着物体向南平移，同时与之前的FSS区域重叠。该工具能够继续来回焊接并在每条路径的端部处移动直到整个板材除了边界之外都经过FSS处理。其它的工具行进图案也是可能的，包括但不限于方形、矩形或螺旋形图案。
[0030]应当注意的是，FSS工艺在表面12上使用在与任何FSW接头分隔开的位置处。在图1A-D所示的示例中，物体10不包括任何FSW接头。
[0031]图