[发明专利]大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料的方法

说明书

技术领域：

本发明属于焊接领域，涉及一种搅拌摩擦制备金属基复合材料的方法，尤其是一种大直径多道无针搅拌摩擦加工制备纤维增强金属基复合材料的方法。 

背景技术：

连续纤维增强金属基复合材料的显著优点是强化效果异常显著，远远超出金属基体的性能，这是由于连续纤维强化金属基复合材料中载荷主要由强度高的纤维承担，而基体的主要作用是粘结与固定增强体；有较好的塑性以传递与分配载荷；保护基体不受环境损坏[参见：西安交通大学材料学院.复合材料学(讲义).2005年8月，7-8，35-38，80-84.]。金属基体通常是连续存在并致密地包围任一增强体，而纤维以独立的网状或单向束状分布于基体之中。常用的金属基体无疑首选轻金属基体如铝、钛；常用的纤维有碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维(SiC纤维与Al₂O₃纤维)以及金属纤维(如不锈钢丝、钨丝、钼丝、钢丝等)。 

连续纤维增强金属基复合材料的缺点在于制备成本很高，因而限制了其广泛应用。连续纤维增强金属基复合材料的制备方法大体可分为两大类，即金属基体被熔化的液相法和金属基体不熔化的固相法[参见：西安交通大学材料学院.复合材料学(讲义).2005年8月，7-8， 35-38，80-84.]。其中液相法包括：熔渗法(常压熔浸、真空熔浸、加压熔浸、组合熔浸)、铸造法(挤压铸造与真空铸造)等；固相法主要有热压法、热等静压法、固态扩散结合法、压力加工法(热轧、热拉拔、热挤压)、爆炸焊接法等。液相法为保证纤维/基体间的润湿性或限制界面反应相过度增厚，需对纤维进行复杂的预处理，因而显著延长了工期并增大了成本。而基于变形或扩散的热-压联合作用的固相法也存在有待改进的缺点。 

上述绝大多数固相法都依赖于炉中加热。炉中加热方法耗能高、能量利用率低；缓慢的加热/冷却速度不仅使生产周期长、生产效率低，而且易使界面过度反应；产品尺寸亦受炉膛尺寸限制。另外，还需耐热的加压装置，对设备要求高。特别需要强调的是，在采用铝材作基体时，由于铝材表面的氧化膜致密、稳定、强固而难以去除，使铝基体的扩散焊的可焊性极差，必然影响纤维/铝基体与铝/铝基体之间的结合性能。这些问题很大程度地制约了纤维增强铝基复合材料的应用和发展。 

2003年美国密苏里罗拉大学的R.S.Mishra基于1991年英国焊接研究所(TWI)提出的搅拌摩擦焊FSW(friction stir welding)[参见：Mishra R S，Ma Z Y.Friction stir welding and processing.Materials Science and Engineering R，2005，50：1-78.]技术开发出一种新型材料改性及表面复合材料制备技术——搅拌摩擦加工FSP(friction stir processing)技术[参见：Mishra R S，Ma Z Y.Charit I.Friction stir processing：a novel technique for fabrication of surface composite. Materials Science and Engineering A，2003，341(1-2)：307-310.]，该方法是一种固态加工方法，绿色节能环保。R.S.Mishra的思路是，先在铝板材表面外涂SiC陶瓷粉末，并利用针的驱散、搅拌作用，成功将SiC陶瓷粉末嵌入铝板材的表层，从而在铝母材的表面制备出SiC颗粒增强铝基表面复合材料(surface composite)，其表面的复合层厚度在50～200μm。该项技术在表面复合材料制备领域影响迅速且巨大，迅速引研究人员的关注，日本、韩国、中国台湾等研究人员均开展了FSP制备颗粒增强的表面复合材料的研究[参见：Ma Z Y.Friction stir processing technology：a review.Metallurgical and Materials TransactionA，2008，39A：642-658；张贵锋，韦中新，张军，苏伟，张建勋.搅拌摩擦处理(FSP)-一种新型绿色表面强化技术.焊管，2009，32(12)：23-30.]。目前的研究主要集中于如何迅速改善陶瓷颗粒分布的均匀性。