一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的装置及方法与流程

本发明涉及细晶板材制备领域，特别是涉及一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的装置及方法。

背景技术：

镁及镁合金具有密度低、比刚度及比强度高、加工性能好等特点，但由于大部分该材料为密排立方晶体结构，滑移系少，常温下塑性变形能力较差，故镁合金的成形加工和工业应用均受到一定的限制。不少文献已证明，晶粒细化是改善镁合金综合力学性能的有效途径。1988年valiev等人首次提出剧塑性变形加工技术，传统的剧塑性变形技术如等通道角挤压和高压扭转技术对镁合金晶粒细化有很好效果，但由于受设备尺寸限制，在制备大尺寸细晶镁合金板材方面难于突破。

搅拌摩擦加工技术作为一种近些年备受关注的剧塑性加工技术，1999年首次被mishra提出，基于搅拌摩擦焊接思想，利用旋转的搅拌针、轴肩与工件间的摩擦作用，对工件产生较大的剪切应变和热输入，使材料发生热塑性变形及动态再结晶，使晶粒细化，组织均匀致密，缺陷减少。很多学者已论证该技术可以细化镁合金晶粒并获得良好的力学性能，不过由于搅拌头尺寸限制，单道次搅拌摩擦加工区域较小，不能制备大尺寸板材，限制其工业上的应用。采用叠加率小于100％多道次搅拌摩擦加工技术可以制备宽板材料，不过目前主要集中于铝合金板材，多道次搅拌摩擦加工制备大尺寸细晶镁合金板材甚少见诸报道。

多道次搅拌摩擦加工过程中产生热输入，可能使上道次细化的晶粒粗化或抵消细化效果。因此，解决晶粒粗化成为多道次搅拌摩擦加工制备大尺寸镁合金板材亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的装置，为制备大尺寸细晶镁合金板提供硬件条件。

本发明的目的之二是：提供一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的方法，解决多道次搅拌摩擦加工大尺寸细晶镁合金板材过程中使上道次细化的晶粒粗化的问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的装置，包括固接于机架的搅拌头以及顶端敞开的冷却水箱，冷却水箱内设有焊接平台，冷却水箱的侧壁的高度超过焊接平台的高度，焊接平台上设有两条贯穿于焊接平台的压板条，两条压板条平行设置，焊接平台上设有若干个压板夹具，压板夹具压住压板条，搅拌头对准焊接平台并能够在焊接平台的范围内移动。采用这种结构后，能够加工大尺寸细晶镁合金板材，加工时始终在冷却水箱内的冷却水中加工，两条压板条分别压住待加工镁合金板材，压板夹具再压住压板条，搅拌头在焊接平台范围内进行多道次搅拌摩擦加工。

焊接平台上设有平整钢板。采用这种结构后，加工时将待加工镁合金板材放置于平整钢板上便于加工。

搅拌头为带右旋螺纹及三切面的搅拌针。此为本装置较为优选的实施例。

搅拌针的长度为5mm，搅拌头的根部直径为7mm。此为本装置较为优选的实施例。

冷却水箱设有进水口和排水口，进水口和排水口的连接线经过焊接平台。采用这种结构后冷却水由进水口流入，流经焊接平台后由排水口流出，保证冷却水的有效利用。

一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的方法，在冷却水的强制冷却条件下采用叠加率小于100％的多道次搅拌摩擦加工制备大尺寸细晶镁合金板材，多道次搅拌摩擦加工过程均在冷却水下完成。采用这种方法后能够制备出大尺寸细晶镁合金板，且能够解决多道次搅拌摩擦加工大尺寸细晶镁合金板材过程中使上道次细化的晶粒粗化的问题。

多道次中的相邻每道次之间的间距为3.5mm，以向后退侧偏移的方式搭接。较为优选的实施方式。

具体包括以下步骤，

步骤一：准备待加工镁合金板材，采用砂纸打磨去除氧化物，用酒精清洗后吹干，然后平放在平整钢板上，用压板夹具将其固定于焊接平台；

步骤二：在配套有冷却水箱的搅拌摩擦加工设备上安装搅拌头，加工前先试转预热，然后调试加工工艺参数，加工工艺参数包括初始坐标、搅拌头旋转方向、旋转速度、前进速度、加工距离、下压量以及搅拌针与铅垂方向之间的倾斜角度；

步骤三：从进水口向冷却水箱注入冷却水直至水位达到待加工镁合金板表面以上，同时采用冷却水喷向轴肩与板材接触位置，加速冷却速率，同时打开排水口，保持水箱内冷却水循环流动，保持水位处于镁合金板材上方。

步骤四：按照步骤二设置的加工参数进行第一道次水下搅拌摩擦加工。

步骤五：完成第一道次加工后，搅拌头回到第一道次初始位置，后续道次沿加工方向的垂直方向向后退侧偏移3.5mm的位置加工后续道次；

步骤六：按照步骤五，继续完成后续n道次(n≥3)的加工工序，制备出大尺寸细晶镁合金板材。采用上述方法后，可以制备出质量较高的大尺寸细晶镁合金板，且多道次加工，后道次加工不会对前道次加工的晶粒粗化。

其中搅拌头的旋转方向为反转，旋转速度为1000～1400rpm，前进速度为60mm/min，搅拌针与铅垂方向之间倾斜角度为2.5°。较为优选的实施方式。

从进水口以43±2ml/s的流速向冷却水箱注入冷却水直至水位达到待加工镁合金板表面以上5mm，加工过程中保持水位处于镁合金板材上方5mm处。较为优选的实施方式。

总的说来，本发明具有如下优点：

1、一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的装置，为制备大尺寸细晶镁合金板材提供硬件支持，能够多道次加工大尺寸细晶镁，加工时始终在冷却水箱内的冷却水中加工，保证细晶镁合金的晶粒不被再次粗化。

2、一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的方法，水下搅拌摩擦使镁合金晶粒发生动态再结晶，通过加快冷却速率来细化晶粒，通过多道次加工加工大尺寸细晶镁合金板。

3、一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的方法，由于在加工过程中采用冷却水进行冷却，使后续道次的加工温度没有提升，不仅没有粗化原先细化的晶粒，而且后续道次加工使原细化晶粒进一步细化。

附图说明

图1为本发明一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的装置的立体结构示意图；

图2为实施例1得到的大尺寸细晶镁合金板材微观组织图；

图3为实施例2得到的大尺寸细晶镁合金板材微观组织图。

其中图1中包括有：

1—搅拌头、2—平整钢板、3—焊接平台、4—压板夹具、5—冷却水箱、

6—进水口、7—排水口、8—待加工镁合金板材、9——压板条。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的装置，包括固接于机架的搅拌头1以及顶端敞开的冷却水箱5，冷却水箱5内设有焊接平台3，冷却水箱5的侧壁的高度超过焊接平台3的高度，焊接平台3上设有两条贯穿于焊接平台3的压板条9，两条压板条9平行设置，焊接平台3上设有若干个压板夹具4，压板夹具4压住压板条9，搅拌头1对准焊接平台3并能够在焊接平台3的范围内移动。采用这种结构后，能够加工大尺寸细晶镁合金板材，加工时始终在冷却水箱5内的冷却水中加工，两条压板条9分别压住待加工镁合金板材8，压板夹具4再压住压板条9，搅拌头1在焊接平台3范围内进行多道次搅拌摩擦加工。焊接平台3上设有平整钢板2。采用这种结构后，加工时将待加工镁合金板材8放置于平整钢板2上便于加工。搅拌头1为带右旋螺纹及三切面的搅拌针。此为本装置较为优选的实施例。搅拌针的长度为5mm，搅拌头1的根部直径为7mm。此为本装置较为优选的实施例。冷却水箱5设有进水口6和排水口7，进水口6和排水口7的连接线经过焊接平台3。采用这种结构后冷却水由进水口6流入，流经焊接平台3后由排水口7流出，保证冷却水的有效利用。

本实施例中，一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的方法：选用铸态az61镁合金板材作为原始的待加工镁合金板材8，待加工镁合金板材8的长度为180mm、宽度为165mm、高度为6mm；采用配套有冷却水箱5的搅拌摩擦加工设备进行加工，采用常温水冷却系统，搅拌头1轴肩直径为18mm，采用多道次水下搅拌摩擦加工方法对待加工镁合金板材8进行加工，多道次中的相邻道次之间的间距为3.5mm，以向后退侧偏移的方式搭接，在冷却水的强制冷却条件下制备大尺寸细晶镁合金板材。

采用水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的方法，还包括如下步骤：

步骤一：准备所述的待加工镁合金板材8，采用2000#砂纸打磨去除氧化物，酒精清洗后吹干，然后平放在平整钢板2上，并用压板夹具4将其固定于焊接平台3；步骤二：在配套有冷却水箱5的搅拌摩擦加工设备的机架上安装搅拌头1，加工前先试转预热，然后调试加工工艺参数，加工工艺参数包括初始坐标、搅拌头1旋转方向、旋转速度、前进速度、加工距离、下压量以及搅拌针与铅垂方向之间的倾斜角度，其中搅拌头1的旋转方向为反转，旋转速度为1000rpm，前进速度为60mm/min，搅拌针与铅垂方向之间倾斜角度为2.5°；步骤三：从进水口6以43±2ml/s的流速向冷却水箱5注入冷却水直至水位达到待加工镁合金板表面以上5mm，同时采用冷却水喷向轴肩与板材接触位置，加速冷却速率，同时打开排水口7，保持水箱内冷却水循环流动，保持水位处于镁合金板材上方5mm处；步骤四：按照所述步骤二设定的加工工艺参数进行第一道次水下搅拌摩擦加工。步骤五：完成第一道次加工后，搅拌头1回到第一道次初始位置，后续道次沿加工方向的垂直方向向后退侧偏移3.5mm的位置并以与上一道次相同的加工工艺参数加工后续道次；步骤六：按照步骤五，继续完成后续25道次的加工工序，制备出大尺寸细晶镁合金板材。

本实施例所制备的大尺寸镁合金板材表面较为平整，无宏观缺陷可见。本实施例所制备的大尺寸镁合金板材搅拌区的微观组织如图2所示，其平均晶粒尺寸为3.4μm,比普通搅拌摩擦加工制备镁合金晶粒更细。

实施例2

本实施例中，一种水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板的方法：选用铸态az61镁合金板材作为原始的待加工镁合金板材8，所述待加工镁合金板材8的长度为180mm、宽度为165mm、高度为8mm；采用配套有冷却水箱5的搅拌摩擦加工设备进行加工，采用常温水冷却系统，搅拌头1为带右旋螺纹及三切面的搅拌针且轴肩直径为18mm，采用多道次水下搅拌摩擦加工方法对待加工镁合金板材8进行加工，所述多道次中的相邻每道次之间的间距为3.5mm，以向后退侧偏移的方式搭接，在冷却水的强制冷却条件下制备大尺寸细晶镁合金板材。

采用水下搅拌摩擦制备大尺寸细晶镁合金板材的方法，还包括如下步骤：

步骤一：准备的待加工镁合金板材8，采用2000#砂纸打磨去除氧化物，酒精清洗后进行吹干，然后平放在平整钢板2上，并用压板夹具4将其固定于焊接平台3；步骤二：在配套有冷却水箱5的搅拌摩擦加工设备上安装搅拌头1，加工前先试转预热，然后调试加工工艺参数，加工工艺参数包括初始坐标、搅拌头1旋转方向、旋转速度、前进速度、加工距离、下压量以及搅拌针与铅垂方向之间的倾斜角度，其中搅拌头1的旋转方向为反转，旋转速度为1400rpm，前进速度为60mm/min，搅拌针与铅垂方向之间倾斜角度为2.5°；步骤三：从进水口6以43±2ml/s的流速向冷却水箱5注入冷却水直至水位达到待加工镁合金板表面以上5mm，同时采用冷却水喷向轴肩与板材接触位置，加速冷却速率，同时打开排水口7，保持水箱内冷却水循环流动，保持水位处于镁合金板材上方5mm处；步骤四：按照所述步骤二设定的加工工艺参数进行第一道次水下搅拌摩擦加工；步骤五：完成第一道次加工后，搅拌头1回到第一道次初始位置，后续道次沿加工方向的垂直方向向后退侧偏移3.5mm的位置并以与上一道次相同的加工工艺参数加工后续道次；步骤六：按照步骤五，继续完成后续25道次的加工工序，制备出大尺寸细晶镁合金板材。本实施例所制备的大尺寸镁合金板材的表面较为平整，无宏观缺陷可见。本实施例所制备的大尺寸镁合金板材搅拌区微观组织如图3所示，其晶粒尺寸为15μm,比普通搅拌摩擦加工制备镁合金晶粒更细。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。