本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種提高攪拌摩擦焊攪拌頭壽命的方法。

背景技術(shù)：

攪拌頭被譽(yù)為攪拌摩擦焊(FSW)的“核心”，是實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊的重要環(huán)節(jié)之一。攪拌摩擦焊主要是依靠高速旋轉(zhuǎn)攪拌頭與被焊工件之間的強(qiáng)烈摩擦產(chǎn)熱和擠壓塑性變形而完成。

一般情況下攪拌頭的攪拌針與軸肩處為主要工作表面，在高溫以及受到劇烈摩擦等惡劣的服役條件下，工作面的磨損、熱疲勞以及攪拌針的折斷是攪拌頭的主要失效方式，其中，工作表面的磨損導(dǎo)致摩擦系數(shù)的增大進(jìn)而使攪拌頭的摩擦熱增高，降低攪拌針的強(qiáng)度，是導(dǎo)致攪拌針的折斷重要原因之一，因此提高攪拌頭的高溫耐磨性對(duì)延長(zhǎng)攪拌頭的使用壽命有著重大意義。

專利號(hào)為CN201510570566.2，名稱為“一種新型攪拌摩擦焊攪拌頭”的中國(guó)專利通過對(duì)焊接頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高攪拌頭的使用壽命；專利號(hào)為CN201510867276.4，名稱為“一種提高攪拌摩擦焊用攪拌頭耐磨耐高溫性能的方法”的中國(guó)專利通過將鑄態(tài)高速工具鋼W18Cr4V采用自由鍛+模鍛鍛造技術(shù)加工成所需凹型軸肩和錐形攪拌針形貌；再采用激光熔敷技術(shù)將軸肩和攪拌針基體表層與預(yù)置在其上的鎳基陶瓷復(fù)合合金粉末一起加熱熔化并迅速冷凝制備環(huán)形和螺旋形耐磨耐高溫涂層攪拌頭，提高攪拌頭的使用壽命。

但是，現(xiàn)有技術(shù)均存在結(jié)構(gòu)和加工工藝復(fù)雜等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種提高攪拌摩擦焊攪拌頭壽命的方法，以提高攪拌頭的耐高溫、耐摩擦性能，延長(zhǎng)其使用壽命；同時(shí)，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，該方法還具有操作簡(jiǎn)單、效果好等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種提高攪拌摩擦焊攪拌頭壽命的方法，采用超音速火焰噴涂將納米結(jié)構(gòu)的WC-Co系粉末材料噴涂于攪拌針和軸肩的表面，形成WC-Co基涂層。

基于上述方法，利用超音速火焰噴涂技術(shù)，在高壓氣體的作用下，WC-Co系粉末材料從噴槍中高速噴出，到達(dá)基體之前經(jīng)過火焰加熱使Co相達(dá)到熔融狀態(tài)，以超音速與基體撞擊，從而得到致密的涂層；而且，通過超音速火焰噴涂技術(shù)還可以有效地抑制WC在噴涂過程中的分解，涂層不僅結(jié)合強(qiáng)度高，且致密，耐磨損性能優(yōu)越，其耐磨性能大幅度超過等離子噴涂層、電鍍鉻層以及噴焊層等。

進(jìn)一步，所述WC-Co基涂層的厚度為100-200μm。

其中，WC-Co基涂層的厚度越小磨損越快，而WC-Co基涂層的厚度過大則容易造成涂層開裂，因此，為了更好地滿足使用需求，WC-Co基涂層的噴涂厚度優(yōu)選為100-200μm，更優(yōu)為150μm。

進(jìn)一步，所述WC-Co系粉末材料中添加有微量元素Cr。

進(jìn)一步，所述WC-Co系粉末材料中，Co的質(zhì)量含量為6-17％；所述Cr的質(zhì)量含量為3-5％。

進(jìn)一步，所述WC-Co系粉末材料為WC-12Co粉末材料；所述Cr的質(zhì)量含量為4％。

Co主要起粘接脆硬相WC的作用，其含量過低容易導(dǎo)致涂層空隙率增大，降低涂層的致密性，而其含量過大則容易降低WC-Co基涂層的硬度及耐磨性，因此，Co的質(zhì)量含量?jī)?yōu)選為6-17％，更優(yōu)為12％。

同時(shí)，在涂層加入Cr主要是提高耐腐蝕性，其質(zhì)量含量?jī)?yōu)選為3-5％，更優(yōu)為4％。

其中，WC-12Co粉末材料中，12Co表示Co的含量為12％。

進(jìn)一步，所述WC-Co系復(fù)合粉末采用團(tuán)聚法制造而成；其中，WC的原始晶粒的平均粒徑為30-500nm，造粒后所述WC-Co系復(fù)合粉末的平均粒徑為10-40μm。

由于細(xì)晶強(qiáng)化作用，細(xì)小WC的晶粒能提高涂層的強(qiáng)韌性，晶粒越小，制取的難度越大；同時(shí)，WC-Co顆粒中有空隙，顆粒過大，容易導(dǎo)致噴涂過程中加熱不充分，降低涂層的致密度，而顆粒過小，容易導(dǎo)致粉末過熔，WC在空氣中被氧化；因此，WC的原始晶粒的平均粒徑優(yōu)選為30-500nm，更優(yōu)為270nm；造粒后的WC-Co系復(fù)合粉末的平均粒徑優(yōu)選為10-40μm，更優(yōu)為22μm。

進(jìn)一步，所述方法包體以下具體步驟：

(1)對(duì)待噴涂的攪拌針和軸肩的表面進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理包括清潔處理以及噴砂粗糙化處理；

(2)對(duì)經(jīng)步驟(1)處理的攪拌針和軸肩進(jìn)行預(yù)熱，然后采用超音速火焰噴涂將納米結(jié)構(gòu)的WC-Co系粉末材料均勻涂覆于攪拌針和軸肩的表面，形成WC-Co基涂層。

進(jìn)一步，步驟(2)中，采用超音速火焰噴涂時(shí)，噴槍的噴涂方向與噴涂面垂直，且噴槍的移動(dòng)速率保持均勻，并控制在100-1000mm/min。

其中，噴槍的移動(dòng)速率過慢使基體受熱不均勻以及涂層過厚；若噴槍往復(fù)噴涂，則會(huì)使涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，而這種層與層結(jié)合面會(huì)有空隙等缺陷，因此，噴槍的移動(dòng)速率過快，會(huì)導(dǎo)致層狀缺陷增多，從而降低涂層的致密度，所以槍的移動(dòng)速率優(yōu)選控制在100-1000mm/min。

進(jìn)一步，還包括軸肩加工步驟：在軸肩的表面打多個(gè)均勻分布的凹坑；其中，軸肩加工步驟位于步驟(1)前。

進(jìn)一步，所述凹坑呈環(huán)形分布，且所述凹坑到所述攪拌針的距離與所述凹坑到所述軸肩的外緣的距離相等。

通過凹坑可以避免因軸肩面積為較大的平面而導(dǎo)致后期的WC-Co基涂層發(fā)生開裂。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明所提供的提高攪拌摩擦焊接攪拌頭壽命的方法，通過采用超音速火焰噴涂將納米結(jié)構(gòu)的WC-Co系粉末材料噴涂于攪拌針和軸肩的表面，在攪拌針和軸肩的表面形成具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐磨性的WC-Co基涂層，從而提高了攪拌頭的性能，延長(zhǎng)了攪拌頭的使用壽命；同時(shí)，該方法相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，還具有操作步驟簡(jiǎn)單、效果好等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是實(shí)施例1中所述的攪拌頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是實(shí)施例1中所述的WC-Co基涂層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是實(shí)施例2中所述的軸肩的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)記為：

軸肩101，攪拌針102，WC-Co基涂層103，凹坑104。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所得到的所有其它實(shí)施方式，都屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1

如圖1和圖2所示，本實(shí)施例提供一種提高攪拌摩擦焊攪拌頭壽命的方法，采用超音速火焰噴涂將納米結(jié)構(gòu)的WC-Co系粉末材料噴涂于攪拌針102和軸肩101的表面，形成WC-Co基涂層103。其具體步驟如下：

首先，對(duì)待噴涂的攪拌針102和軸肩101的表面進(jìn)行預(yù)處理，其中，預(yù)處理包括清潔處理以及噴砂粗糙化處理；通過清潔處理可以除去攪拌針102和軸肩101表面的雜質(zhì)、銹、油污以及氧化層等；通過噴砂粗糙化處理不僅可以進(jìn)步對(duì)攪拌針102和軸肩101表面進(jìn)行清潔，而且還可以在攪拌針102和軸肩101表面形成毛面，增強(qiáng)WC-Co基涂層103與攪拌針102和軸肩101表面的結(jié)合強(qiáng)度。

然后，對(duì)經(jīng)上述步驟處理的攪拌針102和軸肩101進(jìn)行預(yù)熱，有利于噴涂材料的結(jié)合；再采用超音速火焰噴涂將納米結(jié)構(gòu)的WC-Co系粉末材料均勻涂覆于攪拌針102和軸肩101的表面，形成厚度為100μm的WC-Co基涂層103。

本實(shí)施例中，WC-Co系粉末材料為采用團(tuán)聚發(fā)制備的WC-12Co粉末材料，其中，WC的原始晶粒的平均粒徑為270nm，造粒后WC-Co系粉末的平均粒徑(顆粒物直徑)為22μm，Co的質(zhì)量含量為12％。

作為本實(shí)施例的一種優(yōu)選方案，WC-Co系粉末材料中還可以添加微量元素Cr，其中，Cr的質(zhì)量含量為4％。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種提高攪拌摩擦焊攪拌頭壽命的方法，采用超音速火焰噴涂將納米結(jié)構(gòu)的WC-Co系粉末材料噴涂于攪拌針102和軸肩101的表面，形成WC-Co基涂層103。其具體步驟如下：

首先，對(duì)軸肩101進(jìn)行加工處理，如圖3所示，在軸肩101的表面打4個(gè)均勻分布的凹坑104，從而可以避免因軸肩101面積為較大的平面而導(dǎo)致后期的WC-Co基涂層103發(fā)生開裂；其中，優(yōu)選地，凹坑104到攪拌針102的距離與凹坑104到軸肩101的外緣的距離相等。

然后，對(duì)待噴涂的攪拌針102和軸肩101的表面進(jìn)行預(yù)處理，其中，預(yù)處理包括清潔處理以及噴砂粗糙化處理；通過清潔處理可以除去攪拌針102和軸肩101表面的雜質(zhì)、銹、油污以及氧化層等；通過噴砂粗糙化處理不僅可以進(jìn)步對(duì)攪拌針102和軸肩101表面進(jìn)行清潔，而且還可以在攪拌針102和軸肩101表面形成毛面，增強(qiáng)WC-Co基涂層103與攪拌針102和軸肩101表面的結(jié)合強(qiáng)度。

最后，對(duì)經(jīng)預(yù)處理的攪拌針102和軸肩101進(jìn)行預(yù)熱，有利于噴涂材料的結(jié)合；再采用超音速火焰噴涂將納米結(jié)構(gòu)的WC-Co系粉末材料均勻涂覆于攪拌針102和軸肩101的表面，形成厚度為150μm的WC-Co基涂層103。

本實(shí)施例中，WC-Co系粉末材料采用團(tuán)聚發(fā)制備而成，其中，WC的原始晶粒的平均粒徑為500nm，造粒后WC-Co系粉末的平均粒徑(顆粒物直徑)為40μm。同時(shí)，優(yōu)選地，WC-Co系粉末材料中添加有微量元素Cr，其中，Co的質(zhì)量含量為6％，Cr的質(zhì)量含量為3％。

本實(shí)施例中，根據(jù)實(shí)際使用情況可以對(duì)凹坑的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，例如凹坑的數(shù)量為3個(gè)，5個(gè)等。

實(shí)施例3

首先，對(duì)軸肩101進(jìn)行加工處理，在軸肩101的表面打3個(gè)均勻分布的凹坑104，從而可以避免因軸肩101面積為較大的平面而導(dǎo)致后期的WC-Co基涂層103發(fā)生開裂。

然后，對(duì)待噴涂的攪拌針102和軸肩101的表面進(jìn)行預(yù)處理，其中，預(yù)處理包括清潔處理以及噴砂粗糙化處理；通過清潔處理可以除去攪拌針102和軸肩101表面的雜質(zhì)、銹、油污以及氧化層等；通過噴砂粗糙化處理不僅可以進(jìn)步對(duì)攪拌針102和軸肩101表面進(jìn)行清潔，而且還可以在攪拌針102和軸肩101表面形成毛面，增強(qiáng)WC-Co基涂層103與攪拌針102和軸肩101表面的結(jié)合強(qiáng)度。

最后，對(duì)經(jīng)預(yù)處理的攪拌針102和軸肩101進(jìn)行預(yù)熱，有利于噴涂材料的結(jié)合；再采用超音速火焰噴涂將納米結(jié)構(gòu)的WC-Co系粉末材料均勻涂覆于攪拌針102和軸肩101的表面，形成厚度為200μm的WC-Co基涂層103；其中，超音速火焰噴涂的參數(shù)如下表1所示。

表1

同時(shí)，采用超音速火焰噴涂時(shí)，噴槍的噴涂方向與噴涂面垂直，且噴槍的移動(dòng)速率保持均勻，其與噴涂設(shè)備工藝參數(shù)、送粉率等相配合，控制在100-1000mm/min。

本實(shí)施例中，WC-Co系粉末材料采用團(tuán)聚發(fā)制備而成，其中，WC的原始晶粒的平均粒徑為30nm，造粒后WC-Co系粉末的平均粒徑(顆粒物直徑)為10μm。同時(shí)，優(yōu)選地，WC-Co系粉末材料中添加有微量元素Cr，其中，Co的質(zhì)量含量為17％，Cr的質(zhì)量含量為5％。

上述實(shí)施例，WC-Co系粉末材料中的陶瓷材料WC具有高硬度、高熔點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，Co相主要作為粘結(jié)相，Cr可以提高涂層的耐腐蝕性能。

同時(shí)，利用超音速火焰噴涂技術(shù)，在高壓氣體的作用下，WC-Co系粉末材料從噴槍中高速噴出，到達(dá)基體之前經(jīng)過火焰加熱使Co相達(dá)到熔融狀態(tài)，以超音速與基體撞擊，從而得到致密的涂層；而且，通過超音速火焰噴涂技術(shù)還可以有效地抑制WC在噴涂過程中的分解，涂層不僅結(jié)合強(qiáng)度高，且致密，耐磨損性能優(yōu)越，其耐磨性能大幅度超過等離子噴涂層、電鍍鉻層以及噴焊層等。

因此，通過采用超音速火焰噴涂將納米結(jié)構(gòu)的WC-Co系粉末材料噴涂于攪拌針102和軸肩101的表面，在攪拌針102和軸肩101的表面形成具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐磨性的WC-Co基涂層103，從而提高了攪拌頭的性能，延長(zhǎng)了攪拌頭的使用壽命；同時(shí)，該方法相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，還具有操作步驟簡(jiǎn)單、效果好等優(yōu)點(diǎn)。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。