表面攪拌摩擦工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)涉及耐腐蝕金屬物體，以及利用表面攪拌摩擦(FSS)來(lái)增強(qiáng)金屬物體的耐腐蝕性。
【背景技術(shù)】
[0002]大多數(shù)金屬，甚至是海洋級(jí)別金屬，在水環(huán)境中均顯示出腐蝕的跡象，其中水環(huán)境包括鹽水環(huán)境、淡鹽水環(huán)境和淡水環(huán)境中。腐蝕在冷的、深鹽水環(huán)境中表現(xiàn)得特別明顯。隨著時(shí)間過(guò)去，腐蝕對(duì)于暴露在水環(huán)境中的金屬物體的長(zhǎng)期操作維持會(huì)是有害的。
[0003]使用攪拌摩擦焊(FSW)將兩種金屬物體連接在焊接接頭處是公知技術(shù)。當(dāng)這些物體暴露在水環(huán)境中時(shí)，可以觀察到，盡管在金屬物體上基體金屬合金中的FSW接頭以外的位置處發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，但是在FSW接頭處，很少或者沒(méi)有腐蝕發(fā)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]介紹了一種在金屬物體表面上使用的被稱為表面攪拌摩擦(FSS)的工藝。該FSS發(fā)生在金屬物體的與FSW焊接接頭分開(kāi)的位置處的一部分或整個(gè)表面上。表面上的FSS工藝在物體上形成了耐腐蝕的、機(jī)械轉(zhuǎn)化的“涂層”。該機(jī)械轉(zhuǎn)化涂層是由已經(jīng)進(jìn)行FSS加工的物體材料的厚度所形成的。機(jī)械轉(zhuǎn)化涂層能夠是金屬物體厚度的一部分或者是物體的全部厚度。
[0005]FSS與FSW是相似的在于，使用旋轉(zhuǎn)工具來(lái)軟化或者塑化金屬材料。然而，F(xiàn)SS發(fā)生在金屬物體的表面上方，而不是兩個(gè)物體之間的接頭處。FSS工藝能夠使用用于形成FSW焊接接頭的常規(guī)的FSW工具，或者將常規(guī)的FSW工具按比例增加尺寸從而用于與經(jīng)受FSS處理的更大表面一起使用。
[0006]FSS工具能夠使用在多個(gè)攪拌路徑中。例如，F(xiàn)SS工具能夠沿著在金屬物體上的直線路徑穿過(guò)，該金屬物體在一個(gè)方向或兩個(gè)方向(即，往復(fù)地)上進(jìn)行攪拌。在另一實(shí)施例中，F(xiàn)SS工具能夠從中心開(kāi)始并且以螺旋圖案向外行進(jìn)。在另一實(shí)施例中，F(xiàn)SS工具在金屬物體上能夠沿著正方形或者矩形圖案行進(jìn)且向外或向內(nèi)行進(jìn)。其它行進(jìn)路徑也是可能的。
[0007]FSS能夠發(fā)生在金屬物體上進(jìn)行機(jī)械加工操作之前或之后。該金屬物體能夠具有任何形狀或尺寸，且能夠是板、棒、桿、管或其它形狀。FSS能夠發(fā)生在任何形狀的表面上，例如，平坦或平直表面、曲面、或曲面與平面的組合。
[0008]經(jīng)受FSS處理的物體能夠是由以下金屬合金形成的，包括但不限于:鋁合金(2xxx、3xxx、5xxx、6xxx和7xxx系列的合金)，特別是海洋級(jí)別招合金(5xxx和6xxx系列)、鈦合金、鋼合金(例如不銹鋼)以及其它。
[0009]所產(chǎn)生的FSS機(jī)械轉(zhuǎn)化涂層明顯厚于常規(guī)的耐腐蝕轉(zhuǎn)化涂層，例如5-10倍的厚度。盡管這些FSS涂層比常規(guī)的化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層厚，但是它們與FSS涂層攪拌區(qū)周圍或其下的基體金屬是一體的。如果該基體金屬和FSS涂層的熱性質(zhì)不相同的話，則其非常近似。因此，F(xiàn)SS涂層具有優(yōu)于常規(guī)的表面涂層優(yōu)點(diǎn)，即其不存在常規(guī)涂覆工藝通常所困擾的剝離問(wèn)題，并且更厚的FSS涂層在海洋或其它腐蝕性環(huán)境中明顯產(chǎn)生更長(zhǎng)的使用壽命。FSS機(jī)械轉(zhuǎn)化涂層由于不使用單獨(dú)的涂層材料，因此對(duì)環(huán)境很友好。由于FSS工藝已經(jīng)溶解大多數(shù)沉淀物或使其最少化，因此FSS機(jī)械轉(zhuǎn)化涂層含有更少且更小的沉淀物和更加清晰的晶界，而不會(huì)影響金屬物體的熱性能或其它材料性質(zhì)。
[0010]在一個(gè)示例性申請(qǐng)中，F(xiàn)SS工藝能夠用于旨在使用于水中的物體上，包括鹽水、淡鹽水和淡水。例如但不限于，該金屬物體能夠是在海洋熱能轉(zhuǎn)換裝置、海水淡化裝置或船舶中所使用的物體。在其預(yù)期的使用過(guò)程中，物體能夠被放置在水下、水上或在水上方但并不暴露至水(即，浪花、鹽霧、或其它海水層環(huán)境)，或其組合。FSS工藝能夠用于在使用中暴露至水和/或海水環(huán)境的金屬物體的部分或全部面積上。
[0011]FSS工藝能夠與FSW —起使用來(lái)產(chǎn)生由單一金屬材料形成的水下結(jié)構(gòu)。例如，在海洋熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(OTEC)中，包括殼、板和管的熱交換機(jī)能夠完全由鋁合金形成，因此省去了不同金屬以及電耦合的使用。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，表面攪拌摩擦工藝包括使用攪拌摩擦焊工具對(duì)金屬物體的無(wú)接頭或FSW連接表面的至少一部分進(jìn)行表面攪拌摩擦。此實(shí)施例能夠與此文中所包含的任何從屬權(quán)利要求組合使用，并且從屬權(quán)利要求能夠以任意組合的方式使用。
[0013]在另一實(shí)施例中，該工藝包括使用攪拌摩擦焊工具對(duì)金屬物體的未連接表面進(jìn)行表面攪拌摩擦。此實(shí)施例能夠與此文中所包含的任何從屬權(quán)利要求組合使用，并且從屬權(quán)利要求能夠以任意組合的方式使用。
[0014]在另一實(shí)施例中，提高金屬物體耐腐蝕性的方法包括使用攪拌摩擦焊工具對(duì)金屬物體的未連接的或FSW連接表面的至少一部分進(jìn)行表面攪拌摩擦。此實(shí)施例能夠與此文中所包含的任何從屬權(quán)利要求組合使用，并且從屬權(quán)利要求能夠以任意組合的方式使用。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1A-D圖示了其表面正進(jìn)行FSS工藝的物體的一部分。
[0016]圖2圖示了其表面正進(jìn)行FSS工藝的物體的一部分，該部分與物體上的FSW接頭是分隔開(kāi)的。
[0017]圖3A-C是圖不了在物體進(jìn)行FSS的另一個(gè)不例的側(cè)視圖，其在FSS之后進(jìn)行機(jī)械加工。
[0018]圖4是已經(jīng)由FSS處理過(guò)的管的端視圖，其圖示了 FSS機(jī)械轉(zhuǎn)化“涂層”。
[0019]圖5A-B圖示了具有物體的整個(gè)厚度的FSS的示例。
[0020]圖6A-C圖示了形成FSS管的工藝。
[0021]圖7A-B圖示了可替代的形成FSS管的工藝。
[0022]圖8A-C圖示了能夠形成的不同F(xiàn)SS管形狀和FSS管表面的示例。
[0023]圖9A-C圖示了具有不同表面光潔度的FSS物體的示例。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下描述介紹了在金屬物體的表面上使用FSS工藝的過(guò)程。FSS工藝發(fā)生在金屬物體的部分或全部表面上，穿過(guò)該物體的一部分或整個(gè)厚度。該金屬物體能夠具有一個(gè)或更多個(gè)FSW焊接接頭，或者沒(méi)有FSW焊接接頭。在表面上的FSS工藝在物體上產(chǎn)生耐腐蝕機(jī)械轉(zhuǎn)化“涂層”，下文其將被稱為“涂層”。該“涂層”由FSS處理過(guò)的物體材料的厚度所形成，其取決于在FSS工藝中所使用的旋轉(zhuǎn)工具的穿透深度。
[0025]FSS工藝與FSW是類似的在于其使用旋轉(zhuǎn)工具軟化或塑化金屬材料。然而，F(xiàn)SS工藝發(fā)生在金屬物體的表面上方，而不是像FSW那樣發(fā)生在兩個(gè)物體之間的接頭處，并且其不用于將兩個(gè)物體連接在一起。
[0026]現(xiàn)在參照?qǐng)D1A-D，圖示了金屬物體10的正進(jìn)行FSS工藝的一部分。物體10包括表面12，其能夠是平的或者彎曲的。FSS工具14用于在表面12上實(shí)施FSS工藝。在此示例中，F(xiàn)SS工具14在構(gòu)造和操作上能夠與常規(guī)的用于形成FSW焊接接頭的FSW工具相同，或者工具14能夠與常規(guī)的FSW工具相似，只是按比例增加其尺寸用于與經(jīng)受FSS處理的更大表面12—起使用。
[0027]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到的，當(dāng)與物體表面接觸時(shí)，F(xiàn)SS工具14以高速旋轉(zhuǎn)。工具14將金屬材料軟化或塑化至一定深度，該深度是由工具14至物體表面12中的穿透深度所決定的。一旦工具穿過(guò)金屬，其在該針狀工具后面攪拌金屬并使其固結(jié)在工具肩部下方。所產(chǎn)生的表面“涂層”將包括帶有非常細(xì)小的等軸晶粒的金屬。因?yàn)樵贔SS工藝期間沒(méi)有發(fā)生熔化，因此該操作全部在固態(tài)下進(jìn)行。
[0028]在此示例中，F(xiàn)SS工具14在表面12上沿著圖1B中箭頭所示的行進(jìn)方向15移動(dòng)，從而產(chǎn)生FSS區(qū)域16 (FSS區(qū)域16在圖1B和圖1D中以虛線表示)。如圖1C所示的，在每條路徑完成之后，工具14沿著箭頭方向移動(dòng)(或者物體相對(duì)于工具移動(dòng))來(lái)完成新的FSS路徑。如圖1D所指出的，該過(guò)程在物體10的除了邊界之外的全部表面區(qū)域上重復(fù)進(jìn)行，或者僅在一部分表面區(qū)域上進(jìn)行。
[0029]在圖1A中，F(xiàn)SS工藝開(kāi)始于通過(guò)將FSS工具插入物體，并且沿著物體的長(zhǎng)軸向北平移且在工具到達(dá)物體的端部之前停止。然后FSS工具能夠平移回到初始開(kāi)始位置并且移動(dòng)足夠的距離來(lái)保證將實(shí)現(xiàn)FSS區(qū)域的充分重疊。FSS工具然后再次沿著物體向北平移，并且重復(fù)該移動(dòng)操作直到整個(gè)物體都與FSS區(qū)域重疊?？商娲?，F(xiàn)SS工具能夠在每條路徑的端部處停止并且在工具仍然施加載荷和旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行移動(dòng)。然后該工具再次沿著物體向南平移，同時(shí)與之前的FSS區(qū)域重疊。該工具能夠繼續(xù)來(lái)回焊接并在每條路徑的端部處移動(dòng)直到整個(gè)板材除了邊界之外都經(jīng)過(guò)FSS處理。其它的工具行進(jìn)圖案也是可能的，包括但不限于方形、矩形或螺旋形圖案。
[0030]應(yīng)當(dāng)注意的是，F(xiàn)SS工藝在表面12上使用在與任何FSW接頭分隔開(kāi)的位置處。在圖1A-D所示的示例中，物體10不包括任何FSW接頭。
[0031]圖