[发明专利]一种对流保护气作用下的摩擦堆焊方法

说明书

本发明涉及一种对流保护气作用下的摩擦堆焊方法。它是在金属基材的表面旋转并且滑动的棒材，由喷射器的若干喷管，向棒材下端喷射氩气，氩气气流把棒材的下端与空气隔离，棒材在金属基材表面形成堆焊涂层，棒材下端形成冗余卷边，其特征是：喷管的喷气端距离棒材下端的冗余卷边的距离≤4mm，每一个喷管喷出的氩气流量≥1.36 L/min，相邻两个喷气端中心之间的距离≤5mm。采用与棒材同步移动的盒式喷射器或环形管式喷射器，增长棒材的移动距离。本发明的对流保护气作用下的摩擦堆焊方法明显提高堆焊层的抗腐蚀性能。

技术领域

本发明涉及一种摩擦堆焊方法，具体讲是一种对流保护气作用下的摩擦堆焊方法。

背景技术

摩擦焊是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对运动所产生的摩擦热和塑性变形热，使接触面及其附近金属达到粘塑性状态，并产生宏观的塑性变形，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接的一种压焊方法。多年来，摩擦焊以其优质、高效、节能、无污染的技术特色，深受制造业的重视。摩擦堆焊是一种先进的表面涂层技术，与传统的摩擦焊接有明显不同。金属棒状材料在高速旋转中向下接触固定基材，棒材尖端摩擦生热将材料软化。由于温度尚未到达金属熔点，软化材料形成粘性类液层。达到稳态后，棒材一边下压一边移动，应变率大的材料形变为软化提供热源。在摩擦堆焊过程中，棒材被不断消耗，下端近圆心处类液层连续过渡与基材结合形成堆焊层，边缘材料在高温和压力影响下向外侧流动形成冗余卷边。摩擦堆焊是一种先进的固态连接技术，采用此技术可以获得较大厚度、无晶杂质以及晶间化合物且结合完整度极高的表面堆焊涂层。加之动态再结晶过程中涂层晶粒明显细化，涂层机械性能显著增强。作为一种堆焊工艺，摩擦堆焊显示出广泛的应用，如：船舶水下螺旋桨推进器以及大型水泵表面抗腐蚀涂层，汽轮机叶片修复涂层以及机械工具接触面抗磨损涂层等。然而，由于摩擦堆焊中耗材承受剧烈形变且动态再结晶行为使得晶粒细化，堆焊涂层残余内应力较大，使其在易腐蚀环境中腐蚀速率增大，抗腐蚀（尤其是点腐蚀）性能受到限制。

发明内容

为了克服现有对流保护气作用下的摩擦堆焊方法的上述不足之处，本发明提供一种明显提高堆焊层的抗腐蚀性能的对流保护气作用下的摩擦堆焊方法。

在摩擦堆焊过程中一般使用氩气作为保护气体避免涂层过度氧化，且堆焊环境中氩气浓度越大涂层氧化程度越小。摩擦堆焊是一种实验性较强的技术。发明人在实践中研究发现，通过增加氩气保护气体的强制对流效应，可以增大晶粒尺寸，进一步提堆焊涂层的耐蚀性。图10是本发明的摩擦堆焊时强制氩气气流25影响示意图。在摩擦堆焊过程中，棒材9形变所产生的热量集中在剪切界面19附近粘塑性类液层20中，经过热传导以及粘塑性类液层20材料流动向冗余卷边10以及堆焊涂层11传递。当应用本发明设计氩气喷管的喷气端1使强制氩气气流25作用于冗余卷边10的表面时，冗余卷边10表面温度在强制的对流作用下降低，冗余卷边10材料的塑弹性层23的流动性受到限制，无法顺利带走热量。于是，粘塑性类液层20的热量更多传递到堆焊涂层11中。此时，堆焊涂层11的晶粒在连续动态再结晶之后继续生长。由图9中使用现有对流装置的普通氩气气流24，形成的冗余卷边10明显比图10中的大，平均晶粒尺寸由图11中的7um，使用本发明的强制对流方法后，增大到图12中的18um，涂层应力得以释放。本领域的技术人员都知道，对于金属材料来说，其内应力越大，抗腐蚀能力越弱。经过本发明的堆焊涂层中内应力被释放，涂层抗腐蚀性能得到明显提高。

本发明的对流保护气作用下的摩擦堆焊方法是在金属基材的表面旋转并且滑动的棒材，由喷射器的若干喷管，向棒材下端形成的冗余卷边喷射氩气，氩气气流把棒材下端的冗余卷边与空气隔离，加强氩气与冗余卷边产生对流散热效应，棒材在金属基材表面形成堆焊涂层，其特征是：喷管的喷气端距冗余卷边的距离≤4mm，每一个喷管喷出的氩气流量≥1.36 L/min，相邻两个喷气端中心之间的距离≤5mm。

喷管的喷气端距离棒材下端的冗余卷边的距离≤2mm较佳。

上述的对流保护气作用下的摩擦堆焊方法，根据喷射器的不同，又分为两种。