[发明专利]使用含超合金的PCBN基工具的摩擦搅拌焊接

说明书

本公开涉及聚晶立方氮化硼PCBN复合材料，其包含立方氮化硼cBN颗粒和粘合剂基质材料，所述cBN颗粒分散在所述粘合剂基质材料中。所述粘合剂基质材料包括一种或多种超合金。

技术领域

本公开涉及一种复合材料，其包含粘合剂基质材料，所述粘合剂 基质材料包括超合金和立方氮化硼(cBN)颗粒，所述颗粒和超合金在 高压和高温(HPHT)条件下一起形成。本公开还涉及该复合材料作为 用于钢、镍合金和其他高熔点合金的摩擦搅拌焊接的探针或工具材料 的应用，并且涉及在减少的磨损和断裂方面具有比现有探针高得多的 性能的探针。特别地，本公开涉及降低复合材料的成本。

背景技术

摩擦搅拌焊接(FSW)是如下技术：使旋转工具与待接合的两个相 邻工件强制接触并且工具的旋转产生工件的摩擦和粘性加热。当混合 沿着塑性区域发生时，严重变形。在塑性区域冷却时，工件沿着焊接 接头接合。由于工件保持在固相，所以该过程在技术上是锻造过程而不是焊接过程，尽管如此，按照惯例将其称为焊接或摩擦搅拌焊接， 并且这里遵循该惯例。

在低温金属中的FSW的情形中，整个工具/工具保持器可以是单件 的成形工具钢，在该情形中，其通常被称为“探针”(probe)。在工 具用于焊接较高温度合金(诸如钢)的情形中，工具通常处在两个或 更多个部件中，其中与被焊接的材料直接接触的端部元件通常被称为“定位器”(puck)或“工具插入件”，并且工具的其余部分是“工 具保持器”，该“工具保持器”将定位器牢固地保持并且装配到FSW 机器中，使得工具定位器和工具保持器一起构成“工具”或“工具组 件”。通常对工具定位器进行成形以形成肩部和搅拌销，通常具有切入表面中的反向螺旋，使得在旋转期间，其朝向销拉动金属并将金属 向下推动到由所述销形成的孔中。

通常，FSW操作包括若干步骤，例如：

a)插入步骤(也称为刺入步骤)，从工具与工件接触时的点到销 完全嵌入直至受热且软化的工件中的肩部20的点。

b)工具横移，这时工具沿着待接合工件之间的线横向移动，和

c)提取步骤，这时工具被提升或横移出工件。

工具横移(其是主要形成焊缝的阶段)通常在恒定条件下进行； 典型地，这些条件是旋转速度、刺入条件、横移速度等。

FSW方法在1991年由焊接研究所(TWI)开辟，并且描述于WO 93/10935中。TWI已经许可了该技术，尽管它主要用于将铝(Al)合 金制成的部件焊接在一起，但是它也用于其它低熔点金属，例如铜 (Cu)、铅(Pb)和镁(Mg)。

WO 2004/101205要求保护FSW工具，该工具尤其包含在高压高温 (HPHT)条件下制造的超级磨料材料。具体地，要求聚晶聚晶金刚石 (PCD)和聚晶氮化硼(PCBN)。

通用电气公司提交了针对将基于钨的难熔金属合金用于钢和其它 材料的FSW的专利申请(US 2004/238599A1)。

FSW是用于接合金属的良好确立的方法。然而，目前典型地仅适 合于具有相对低熔点的金属，这是因为存在以下要求：FSW工具或探 针材料在接合温度下保持其基本特性并且不与接合的金属发生化学相 互作用。出于这个原因，使用钢探针通过FSW接合钢和其它高熔点金 属是不可行的，例如在如AlCu的较低熔点金属的情形中使用。