本發明涉及摩擦焊攪拌頭
技術領域：
，更具體地，涉及一種賽隆陶瓷摩擦焊攪拌頭及其制備方法。
背景技術：
：當前高性能船舶的快速發展不僅取決于鋁合金等高強度新材料的應用，還依賴于其焊接技術的進步。但高速鋁合金船舶存在鋁鋼兩種異種金屬焊接難題，攪拌摩擦焊作為一種新型的固相連接方法，它基本不受材料物理化學性能、機械性能及晶體結構等因素的影響，對于異種材料的焊接具有極大的優勢。因此，攪拌摩擦焊是解決當前高速船舶鋁鋼焊接難題的首選連接技術。攪拌頭作為攪拌摩擦焊的“心臟”，其材料和結構是攪拌摩擦焊技術的核心。攪拌頭直接承受焊接過程的熱載、力載及摩擦磨損，因此要求用來制造攪拌頭的材料需具有高于被焊材料的熔點、強度、硬度和韌性、良好的抗磨損能力和耐高溫性等。對于鋁鋼焊接，由于鋼為高熔點材料，在焊接時最高溫度可達1000℃以上。當前常用的攪拌頭材料主要為鎢基材料和立方氮化硼。但鎢價格昂貴，且鎢難以進行機械加工，難成型異形尺寸件，而攪拌頭均為異形結構，因此鎢基合金攪拌頭制造成本很高。立方BN攪拌頭高溫穩定性和耐磨性好，高溫強度和硬度高，但制造立方BN需要高溫高壓，且成型異形尺寸件也較困難。因而立方BN攪拌頭制造成本也很高，價格昂貴。因此，迫切需求發展新型高性能耐高溫攪拌摩擦焊攪拌頭材料及其低成本、可控制備技術。賽隆陶瓷在高溫下具有硬度高、韌性好、蠕變小、抗熱震抗氧化性強、膨脹系數小、化學穩定性高、耐磨損、耐腐蝕等優越的物理化學性能。且其工藝方法成熟可控、原料國產化程度高、成本相對低廉。因此，賽隆陶瓷是當前替代現有耐高溫攪拌頭材料，制備高性能低成本攪拌摩擦焊攪拌頭的最理想材料體系。目前賽隆陶瓷的成型方法主要為熱壓工藝，制備異形結構攪拌頭仍需后期機加工成型。但賽隆陶瓷為硬質相，其加工困難且成品率較低，因而目前賽隆陶瓷攪拌頭也存在制造成本較高的問題，急需開發賽隆陶瓷攪拌頭凈尺寸成型工藝來降低制造成本。技術實現要素：本發明要解決的技術問題在于針對現有技術的不足，一種賽隆陶瓷摩擦焊攪拌頭及其制備方法。本發明的目的通過以下技術方案予以實現：提供一種制備賽隆陶瓷摩擦焊攪拌頭的工藝方法，包括以下步驟：S1.配制賽隆陶瓷粉：按照賽隆陶瓷的分子式Si4Al2O2N6計算并稱取稱量相應的Si3N4、AlN和Al2O3，加入Y2O3后得到混料，將所得混料進行球磨，然后干燥處理，密封；S2.凝膠注模成型：S21.配置預混液，所述預混液包括單體、交聯劑和分散劑，分別為N-羥甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基乙二胺、聚丙烯酸銨；S22.將步驟S21預混液加入步驟S1所得的賽隆陶瓷粉中，進行球磨，得到所需注模漿料；S23.將步驟S22所得注模漿料經真空除泡后加入過硫酸銨溶液和四甲基乙二胺，攪拌混合均勻后注入異形結構攪拌頭模具，常溫固化成型后，進行干燥處理；S3.脫脂和燒結：將S2制得坯體放入氮氣氣氛爐進行程序升溫，先完成脫脂，然后采用兩步法燒結成型，得到所述賽隆陶瓷摩擦焊攪拌頭。步驟S1中采用分子式Si4Al2O2N6的賽隆陶瓷原因在于低Z值系列(Z＝0.3，Z＝0.6)的β-Sialon在燒結過程中易形成Y2SiAlO5N(B相)，Y2SiAlO5N(B相)對材料的韌性不利，須通過控制工藝參數避免Y2SiAlO5N(B相)的生成,高Z值系列(Z＝3，4)的β-Sialon在燒結過程中易形成Si2Al3O7N和AlN多型體，其對β-Sialon材料的力學性能不利。本發明創造性地采用賽隆陶瓷作為原料制備摩擦焊攪拌頭，賽隆陶瓷具有較好的韌性，很高的硬度和耐磨性，以及非常高的高溫抗氧化性，而且賽隆陶瓷原材料價格低廉，來源廣泛。本發明還將傳統陶瓷工藝和高分子化學有機結合起來，將高分子聚合物的聚合方法代入陶瓷的制備工藝中，采用凝膠注模成型工藝，這種方法與其它成型工藝相比，具有顯著的優勢：制備時間短和對模具及設備要求不高使其成本低廉；結構和組分可設計性強；制品的密度均勻；生坯強度高，便于機械加工；特別是可實現近凈尺寸成型，制品形狀受限小，可制備復雜異形件，還具有通用性和經濟性等特點。優選地，步驟S1所述干燥處理是在80℃烘箱中干燥6～10h。優選地，步驟S1所述Y2O3為3～6wt％，Y2O3作為穩定劑，加入賽隆陶瓷粉中進一步提高材料性能。優選地，步驟S1所述球磨還包括以下步驟：S11.將混料、研磨球和球磨介質按照質量比1:1.5:2裝入球磨罐中；所述研磨球選用不同大小的剛玉，所述球磨介質選用無水乙醇，所述球磨罐選用瑪瑙球磨罐；S12.將裝好的球磨罐密封放入行星式球磨機中球磨20～24h。采用行星式球磨機可以讓賽隆陶瓷粉粒度更低，利于后續的處理。優選地，步驟S21所述N-羥甲基丙烯酰胺為15～20wt％，所述N,N-二甲基乙二胺為9～10wt％，所述聚丙烯酸銨為5～6vol％。優選地，所述聚丙烯酸銨溶于去離子水中，并用氨水調節pH值為9～10，具有增效作用。優選地，步驟S22所述球磨還包括在混合液中加入8～10wt％的Y2O3和5～7％wt％的Al2O3作為燒結助劑，球磨時間為4～6h。優選地，步驟S23所述過硫酸銨溶液為10～12wt％，所述四甲基乙二胺為5～6wt％。優選地，步驟S23所述干燥處理是在50～80℃的烘箱中干燥至質量不再變化，低溫注模凈尺寸成型工藝，其工藝簡單、參數可控，易制備復雜異形尺寸攪拌頭，毛坯精度高，加工余量極少，大大降低攪拌頭的制備成本及其工程化應用的成本。優選地，步驟S3所述脫脂是指在0.05～0.1Mpa氮氣氣氛下，以1℃/min的升溫速率至800～900℃完成脫脂；所述兩步法燒結是指第一步將生坯放置在氮氣壓為0.1～2.1MPa，溫度1150℃～1850℃，升溫速率為10℃/min，保溫1小時，第二步放置在氮氣壓為2.1～8.0MPa，溫度1400℃～1830℃，升溫速率為10℃/min，保溫1小時。采用脫脂和兩步法燒結胚體，能制備出具有精細顯微結構和高性能的賽隆陶瓷摩擦焊攪拌頭。本發明同時提供應用所述制備賽陶瓷摩擦焊攪拌頭的工藝方法，制備得到的具有輕質、高強高韌、耐高溫和耐磨性能優良的攪拌頭。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：本發明針對現有耐高溫攪拌頭原材料成本高昂、制備工藝復雜、難加工及加工量大，制造成本高昂問題，提供一種低成本、凈尺寸成型賽隆陶瓷攪拌頭的工藝方法，所制備的攪拌頭具有輕質、高強高韌、耐高溫和耐磨性能優良等特點。賽隆陶瓷具有較好的韌性，很高的硬度和耐磨性，以及非常高的高溫抗氧化性，而且賽隆陶瓷原材料價格低廉，來源廣泛。低溫注模凈尺寸成型工藝，其工藝簡單、參數可控，易制備復雜異形尺寸攪拌頭，毛坯精度高，加工余量極少，大大降低攪拌頭的制備成本及其工程化應用的成本；且通過原材料組元設計及制備工藝參數調整，易實現攪拌頭的組織結構和性能的優化和調控。制備的賽隆陶瓷攪拌頭耐高溫(1000℃以上)、強度及韌性高、耐磨性好、使用壽命長。附圖說明圖1本發明種賽隆陶瓷摩擦焊攪拌頭的X射線衍射(XRD)圖。圖2本發明種賽隆陶瓷摩擦焊攪拌頭的掃描電子顯微鏡(SEM)圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例進一步詳細說明本發明。除非特別說明，本發明實施例使用的各種原料均可以通過常規市購得到，或根據本領域的常規方法制備得到，所用設備為實驗常用設備。除非另有定義或說明，本文中所使用的所有專業與科學用語與本領域技術熟練人員所熟悉的意義相同。實施例1一種制備賽隆陶瓷摩擦焊攪拌頭的工藝方法，包括以下步驟：S1.配制賽隆陶瓷粉：按照賽隆陶瓷的分子式Si4Al2O2N6計算并稱取稱量相應的Si3N4、AlN和Al2O3，再加入3wt％Y2O3，將所得混料進行球磨，然后在80℃烘箱中干燥6h，密封；其中球磨還包括以下步驟：S11.將混料、不同大小的剛玉和無水乙醇按照質量比1:1.5:2裝入瑪瑙球磨罐中；S12.將裝好的球磨罐密封放入行星式球磨機中球磨20h。S2.凝膠注模成型：S21.配置預混液：15wt％N-羥甲基丙烯酰胺、9wt％N,N-二甲基乙二胺和5vol％聚丙烯酸銨，其中聚丙烯酸銨溶于去離子水中，并用氨水調節pH值為9。S22.將步驟S21所得預混液加入步驟S1所得的賽隆陶瓷粉中，混合后加入8wt％的Y2O3和5％wt％的Al2O3作為燒結助劑，球磨為4h，得到所需注模漿料；S23.將步驟S22所得注模漿料經真空除泡后，加入10wt％的過硫酸銨溶液和5wt％的四甲基乙二胺，攪拌混合均勻后注入異形結構攪拌頭模具，常溫固化成型后，在50℃的烘箱中干燥至質量不再變；S3.脫脂和燒結：S31.在0.05Mpa氮氣氣氛下，以1℃/min的升溫速率至800℃完成坯體脫脂。S32.將S31中脫脂胚體放置在氮氣壓為0.1MPa，溫度為1150℃，升溫速率為10℃/min，保溫1h；S33.將S32步驟中處理以后的胚體放置在氮氣壓為2.1MPa，溫度為1400℃，升溫速率為10℃/min，保溫1h。實施例2一種制備賽隆陶瓷摩擦焊攪拌頭的工藝方法，包括以下步驟：S1.配制賽隆陶瓷粉：按照賽隆陶瓷的分子式Si4Al2O2N6計算并稱取稱量相應的Si3N4、AlN和Al2O3，再加入6wt％Y2O3，將所得混料進行球磨，然后在80℃烘箱中干燥10h，密封；其中球磨還包括以下步驟：S11.將混料、不同大小的剛玉和無水乙醇按照質量比1:1.5:2裝入瑪瑙球磨罐中；S12.將裝好的球磨罐密封放入行星式球磨機中球磨24h。S2.凝膠注模成型：S21.配置預混液：20wt％N-羥甲基丙烯酰胺、10wt％N,N-二甲基乙二胺和6vol％聚丙烯酸銨，其中聚丙烯酸銨溶于去離子水中，并用氨水調節pH值為10。S22.將步驟S21所得預混液加入步驟S1所得的賽隆陶瓷粉中，混合后加入10wt％的Y2O3和7％wt％的Al2O3作為燒結助劑，球磨為6h，得到所需注模漿料；S23.將步驟S22所得注模漿料經真空除泡后加入12wt％的過硫酸銨溶液和6wt％的四甲基乙二胺，攪拌混合均勻后注入異形結構攪拌頭模具，常溫固化成型后，在80℃的烘箱中干燥，至質量不再變；S3.脫脂和燒結：S31.在0.1Mpa氮氣氣氛下，以1℃/min的升溫速率至900℃完成坯體脫脂。S32.將S31中脫脂胚體放置在氮氣壓為2.1MPa，溫度為1600℃，以升溫速率為10℃/min，保溫1h；S33.將S32步驟中處理以后的胚體放置在氮氣壓為8.0MPa，溫度為1600℃，升溫速率為10℃/min，保溫1h。實施例3一種制備賽隆陶瓷摩擦焊攪拌頭的工藝方法，包括以下步驟：S1.配制賽隆陶瓷粉：按照賽隆陶瓷的分子式Si4Al2O2N6計算并稱取稱量相應的Si3N4、AlN和Al2O3，再加入4wt％Y2O3，將所得混料進行球磨，然后在80℃烘箱中干燥7h，密封；其中球磨還包括以下步驟：S11.將混料、不同大小的剛玉和無水乙醇按照質量比1:1.5:2裝入瑪瑙球磨罐中；S12.將裝好的球磨罐密封放入行星式球磨機中球磨21h。S2.凝膠注模成型：S21.配置預混液：16wt％N-羥甲基丙烯酰胺、10wt％N,N-二甲基乙二胺和6vol％聚丙烯酸銨，其中聚丙烯酸銨溶于去離子水中，并用氨水調節pH值為9。S22.將步驟S21所得預混液加入步驟S1所得的賽隆陶瓷粉中，混合后加入9wt％的Y2O3和6％wt％的Al2O3作為燒結助劑，球磨為5h，得到所需注模漿料；S23.將步驟S22所得注模漿料經真空除泡后加入11wt％的過硫酸銨溶液和6wt％的四甲基乙二胺，攪拌混合均勻后注入異形結構攪拌頭模具，常溫固化成型后，在60℃的烘箱中干燥至質量不再變；S3.脫脂和燒結：S31.在0.06Mpa氮氣氣氛下，以1℃/min的升溫速率至900℃完成坯體脫脂。S32.將S31中脫脂胚體放置在氮氣壓為1.5MPa，溫度為1850℃，升溫速率為10℃/min，保溫1h；S33.將S32步驟中處理以后的胚體放置在氮氣壓為4MPa，溫度為1830℃，升溫速率為10℃/min，保溫1h。對實施例1～實施例3中任意所得塞隆陶摩擦焊攪拌頭進行微觀結構及性能表征和測試結果如下:1.采用日本理學電機株式會社的D/max2550型XRD衍射儀對所制備的賽隆陶瓷攪拌頭材料進行物相分析，其XRD如附圖1所示。由圖1可知，所制備的攪拌頭的物相組成主要為α-賽隆和β-賽隆。2.采用日本電子株式會社的JSM-6360LV型電子掃描顯微鏡對所制備的攪拌頭的顯微結構進行分析，其結果如附圖2所示。由圖2可知，試樣表層全部為α-賽隆晶粒，呈粗大的柱狀晶須，而在內層，存在有細長晶須狀β-賽隆晶粒，α-賽隆晶粒也有呈晶須狀的，但比表層的要細小。性能測試結果及表征:對實施例1～實施例3制備所得攪拌頭進行性能檢測，具體地：采用阿基米德法測量材料的密度，每個數據至少測三根試樣取平均值。采用萊州華儀試驗儀器有限公司生產的HV-10A維氏硬度計，測定維氏硬度，載荷1kg，加載10s，測試五個點，取平均值。試樣的抗彎曲強度測試過程參照《工程陶瓷彎曲強度試驗方法》(GB6569-86)進行，在CSS-44100電子萬能試驗機上采用三點彎曲法測定。彎曲強度測試時，試樣尺寸為4mm×3mm×36mm(寬×厚×長)，跨距30mm，加載速率為0.5mm/min。試樣受拉面拋光，并且要求倒角(45°)。采用Vicker壓痕法測量材料的斷裂韌性，壓痕由萊州華儀試驗儀器有限公司生產的HV-10A維氏硬度計產生，加載速率為0.5mm/min，載荷10kg，加載時間10s。具體檢測結果如表1所示。表1攪拌頭主要性能指標實施例密度(g/cm3)維氏硬度(HV)抗彎強度(Mpa)斷裂韌性(MPa·m1/2)實施例13.21015387367.268實施例23.20615467637.198實施例33.20515257147.464當前第1頁1 2 3