一种可提高搅拌头寿命的涂层及方法与流程

1.本发明涉及焊接技术领域，尤其是涉及一种可提高搅拌头寿命的涂层及方法。


背景技术：

2.搅拌头被誉为搅拌摩擦焊(fsw)的“核心”，是实现搅拌摩擦焊的重要环节之一。搅拌摩擦焊主要是依靠高速旋转搅拌头与被焊工件之间的强烈摩擦产热和挤压塑性变形而完成，一般情况下搅拌头的搅拌针与轴肩处为主要工作表面。在高温下受到剧烈摩擦这样恶劣的服役条件下，工作面的磨损、热疲劳以及搅拌针的折断是搅拌头主要失效方式，其中工作表面的磨损导致摩擦系数的增大进而使搅拌头的摩擦热增高，降低搅拌针的强度，是导致搅拌针的折断重要原因之一。因此提高搅拌头的高温耐磨性对延长搅拌头的使用寿命有着重大意义。
3.为了提高搅拌头的使用寿命，主要有两种解决途径：一是从搅拌头的结构角度考虑，现有专利中的一种新型搅拌摩擦焊搅拌头，该结构搅拌头为搅拌针轴肩与夹持柄采用分离式，两者用连接件固定，当搅拌针和轴肩因为热疲劳或磨损而导致表面报废时只需相应部位，而不用更换整个搅拌头，造成的浪费，但这种结构搅拌头较为复杂。二是从搅拌头生产加工工艺(选材、加工工艺和热处理工艺等)，现有专利中的一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法，这种方法将铸态高速工具钢w
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cr4v采用自由锻+模锻锻造技术加工成所需凹型轴肩和锥形搅拌针形貌，采用激光熔敷技术将轴肩和搅拌针基体表层与预置在其上的镍基陶瓷复合合金粉末一起加热熔化并迅速冷凝制备环形和螺旋形耐磨耐高温涂层搅拌头,该方法虽然在一定程度上提高搅拌头的耐磨性能，但工艺较为复杂。
4.因此，现有技术中提高搅拌头寿命的结构、工艺较为复杂，提高寿命的效果较差的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可提高搅拌头寿命的涂层结构及方法，以解决现有技术中存在的提高搅拌头寿命的结构、工艺较为复杂，提高寿命的效果较差的技术问题；本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
6.为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
7.本发明提供的一种可提高搅拌头寿命的涂层，包括涂层本体，所述涂层本体由超音速火焰喷涂法将wc基体粉末材料喷涂在轴肩和搅拌针上形成，所述涂层本体附着于搅拌头的轴肩端面和所述搅拌针的外表面；
8.所述wc基体粉末材料中添加有粘结相co元素和re元素，所述co的质量分数为8％-12％，所述re的质量分数为1％-4％。
9.优选的，所述wc基体粉末材料由团聚法制造，其中，wc的原始晶粒尺寸为30-500nm，所述wc基体粉末材料的粒径为1-40μm。
10.优选的，所述co的质量分数为10.1％，所述re的质量分数为2％。
11.优选的，所述wc基体粉末材料中还添加有fe元素，所述fe的质量分数为1％-3％。
12.优选的，所述fe的质量分数为1％。
13.优选的，所述搅拌头的轴肩端面设置有凹陷部，所述涂层本体覆盖所述凹陷部。
14.优选的，所有所述凹陷部围绕所述搅拌针均匀间隔布置。
15.本发明还提供了一种可提高搅拌头寿命的方法，采用超音速火焰喷涂法将wc基体粉末材料喷涂在轴肩和搅拌针上，在所述轴肩端面和所述搅拌针的外表面形成上述所述的可提高搅拌头寿命的涂层。
16.优选的，所述可提高搅拌头寿命的方法包括以下具体步骤：
17.步骤一、在所述轴肩端面加工凹陷部，对所述搅拌针表面和所述轴肩的端面进行清洗、除锈处理；
18.步骤二、采用夹具固定所述搅拌头，使用超音速火焰喷涂法将wc基体粉末材料喷涂在轴肩和搅拌针上，并覆盖所述凹陷部；
19.步骤三、自然冷却，取下所述搅拌头使用。
20.优选的，所述使用超音速火焰喷涂法将wc基体粉末材料喷涂在轴肩和搅拌针上时，喷涂方向与所述搅拌头、所述搅拌针上的待喷涂面保持垂直。
21.本发明提供的可提高搅拌头寿命的涂层结构及方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：该涂层本体由超音速火焰喷涂法将wc基体粉末材料喷涂在轴肩和搅拌针上形成，wc基体粉末材料中添加有不同配比的粘结相co元素和re元素，其中，co元素起到粘结硬相wc基体的作用，re元素能够提高涂层的韧性，使得涂层本体不易断裂，涂层本体牢牢喷涂在搅拌头的轴肩端面和搅拌针的外表面，提高了搅拌头的耐磨性和韧性，大大提高了搅拌头的使用寿命；且工艺相对简单，降低了搅拌头的成本。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是涂层本体与搅拌头的配合结构示意图；
24.图2是使用超音速火焰喷涂法将wc基体粉末材料喷涂在轴肩上的示意图；
25.图3是凹陷部在搅拌头的轴肩端面分布结构示意图。
26.图中1、轴肩；2、搅拌针；3、涂层本体；4、凹陷部；5、喷枪。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“侧”等指示的方位或
位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
29.本发明实施例提供了一种可提高搅拌头寿命的涂层结构及方法，提高了搅拌头的耐磨性和韧性，大大提高了搅拌头的使用寿命；且工艺相对简单，降低了搅拌头的成本。
30.下面结合图1-图3对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。
31.实施例一
32.如图1-图3所示，本实施例提供了一种可提高搅拌头寿命的涂层，包括涂层本体3，涂层本体3由超音速火焰喷涂法将wc基体粉末材料喷涂在轴肩1和搅拌针2上形成，涂层本体3附着于搅拌头的轴肩1端面和搅拌针2的外表面；wc基体粉末材料中添加有粘结相co元素和re元素，co的质量分数为8％-12％，re的质量分数为1％-4％。
33.本实施例的可提高搅拌头寿命的涂层，该涂层本体3由超音速火焰喷涂法将wc基体粉末材料喷涂在轴肩1和搅拌针2上形成，wc基体粉末材料中添加有不同配比的粘结相co元素和re元素，其中，co元素起到粘结硬相wc基体的作用，re元素能够提高涂层的韧性，使得涂层本体3不易断裂，涂层本体3牢牢喷涂在搅拌头的轴肩1端面和搅拌针2的外表面，提高了搅拌头的耐磨性和韧性，大大提高了搅拌头的使用寿命。
34.其中，co元素主要起粘接脆硬相wc的作用，其含量过低容易导致涂层空隙率增大，降低涂层本体3的致密性，而其含量过大则容易降低wc-co基涂层的硬度及耐磨性，因此，经试验，当co的质量分数为8％-12％时，效果较优。
35.re元素主要起到提高涂层本体3韧性，使涂层本体3不易断裂的作用。wc基体为脆硬相，能够保证涂层本体3的硬度，因此，re元素的质量分数不宜过大，经试验，当re的质量分数为1％-4％时，涂层本体3的性能较优。
36.作为可选地实施方式，本实施例中，co的质量分数为10.1％，re的质量分数为2％。
37.当co、re采用上述配比时，能够保证涂层本体3的硬度，且具有一定的韧性，从而提高涂层本体3的耐磨性能和使用寿命。
38.wc基体粉末材料为纳米材料，由团聚法制造，由于细晶强化作用，细小wc的晶粒能提高涂层的强韧性，晶粒越小，制取的难度越大；同时，wc-co颗粒中有空隙，颗粒过大，容易导致喷涂过程中加热不充分，降低涂层的致密度，而颗粒过小，容易导致粉末过熔，wc在空气中被氧化。因此，本实施例中，wc的原始晶粒尺寸为30-500nm，wc基体粉末材料的粒径为1-40μm。
39.为了进一步保证涂层本体3的硬度和刚性，提高涂层本体3的耐磨性能，作为可选地实施方式，wc基体粉末材料中还添加有fe元素，fe的质量分数为1％-3％。
40.在wc基体粉末材料中添加fe元素，能够保证涂层本体3的硬度和刚性，但是为了使涂层本体3具有一定的韧性，防止涂层本体3断裂，fe元素的含量不宜过高，因此，fe的质量分数为1％-3％。
41.作为可选地实施方式，本实施例中，在co的质量分数为10.1％，re的质量分数为2％的基础上，fe的质量分数为1％。
42.本实施例中，根据搅拌头的焊接材料、工艺参数及工作温度等条件，在粉末中添加
不同配比的粘结相co(钴元素)以及re(铼元素)，wc基体粉末材料化学成分(质量分数，％)如下：
[0043][0044]
表1搅拌头涂层本体材料
[0045]
参见图1-图3，由于搅拌头的轴肩1端面为较大平面，为了使涂层本体3更好的附着在搅拌头的轴肩1端面，作为可选地实施方式，参见图3所示，搅拌头的轴肩1端面设置有凹陷部4，涂层本体3覆盖凹陷部4。上述凹陷部4为凹坑结构，在搅拌头的轴肩1端面设置上述凹坑结构，能够提高涂层本体3的附着力，防止涂层本体3在轴肩1上开裂。
[0046]
作为可选地实施方式，上述凹陷部4优选的采用两个以上，具体的，可以为三个、四个、五个及以上，所有凹陷部4围绕搅拌针2均匀间隔布置。该结构，能够使涂层本体3与凹陷部4配合，从而更好的附着在轴肩1端面。
[0047]
本实施例选择3种同种规格的搅拌头进行寿命试验。第1种搅拌头不做任何涂层，第2种和第3种搅拌头涂层材料分别为wc-12co(现有技术中的涂层)以及本实施例的上述涂层材料。焊接参数及材料一致，转速1600-2000rpm，焊接速度500-800mm/min，材料为adc12。多次试验，寿命统计结果如下：
[0048]
对比不同涂层结构对搅拌头焊接寿命统计如下：
[0049][0050]
表2搅拌头使用寿命对比
[0051]
从测试结果可以看出，相比于传统的wc-12co涂层，采用本实施例的涂层材料后，搅拌头的寿命提高至2600-3000m，该搅拌头相较于无涂层的搅拌头、在搅拌头上喷涂现有的wc-12co涂层，搅拌头的使用寿命明显。
[0052]
实施例二
[0053]
本实施例提供了一种可提高搅拌头寿命的方法，采用超音速火焰喷涂法将wc基体粉末材料喷涂在轴肩1和搅拌针2上，在轴肩1端面和搅拌针2的外表面形成上述可提高搅拌头寿命的涂层。
[0054]
本实施例基于超音速火焰喷涂技术，主要针对搅拌头的工作表面(搅拌针2和轴肩1的端面)，进行喷涂。图2是使用超音速火焰喷涂法将wc基体粉末材料喷涂在轴肩1上的示意图；搅拌头轴肩1端面、搅拌针2是与被焊材料接触。在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头轴肩1的端面及搅拌针2与材料发生剧烈摩擦产生焊接所需要的热量，在高温下其表面是最易受
到磨损和热冲击，导致表面的失效。
[0055]
作为可选地实施方式，可提高搅拌头寿命的方法包括以下具体步骤：
[0056]
步骤一、在轴肩1端面加工凹陷部4，参见图3，对搅拌针2表面和轴肩1的端面进行清洗、除锈处理；
[0057]
步骤二、采用夹具固定搅拌头，喷涂前用喷枪5火焰预热工件，在喷涂系统上设定好喷涂参数，参见图2，使用超音速火焰喷涂法将wc基体粉末材料喷涂在轴肩1和搅拌针2上，并覆盖凹陷部4；
[0058]
具体喷涂实施参数如下表所示：
[0059][0060]
表3超音速火焰喷涂工艺参数
[0061]
步骤三、自然冷却，取下搅拌头使用。为提高搅拌头的使用寿命，表面涂层材料非常重要。如图1-图3所示，本实施例的搅拌头在搅拌头轴肩1端面、搅拌针2的部位利用超音速火焰喷涂技术喷涂涂层本体3，涂层本体3提高了搅拌头的耐热耐磨性能。
[0062]
作为可选地实施方式，参见图2，使用超音速火焰喷涂法将wc基体粉末材料喷涂在轴肩1和搅拌针2上时，喷涂方向与搅拌头、搅拌针2上的待喷涂面保持垂直。喷涂时注意喷涂方向与待喷涂面保持垂直，如图2所示；喷枪5的移动速率保持均匀，且控制在合理区间，优选为100-1000mm/min。
[0063]
在本说明书的描述，具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0064]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0065]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。