1. 研究目的与意义（文献综述）

现代先进科技的迅速发展，恶劣的工作环境(高温、腐蚀、磨损等)使得对单一材料的应用更多的转向了对复合材料的应用。 金属基复合材料(metalmartixcomposites，简称 MMCs)作为复合材料的一个重要分支,是以金属或合金为基体与各种增强材料复合所得到的一种复合材料[1]，因此兼具金属材料的一系列优点同时又具备增强相的一些特殊性能。

Ti(C,N)基金属陶瓷复合材料诞生于 20 世纪 70年代，是在 WC 硬质合金和 TiC 基金属陶瓷的基础上发展起来的一种颗粒型陶瓷复合材料，与WC基硬质合金相比，加工中显示出较高的红硬性、相近的强度、较低的腐蚀性、导热性和摩擦系数， 具有较低的密度、化学稳定性好、热膨胀系数低等优点。 与 SiC、SiN、Al2O3 等陶瓷相比，其强度和冲击韧性高[2]，目前这种材料正朝着高韧性和高耐磨性两个方向发展，高韧性与涂层硬质合金相竞争，高耐磨性与陶瓷材料相竞争。另外，从资源上考虑，开发出不含钨、钴或少含钴、钨且具有丰富资源、廉价的[3] Ti(C,N)基金属陶瓷，也具有重大的经济和战略意义[4]。所以，在许多应用场景下已经成功代替了硬质合金，填补了陶瓷与硬质合金之间的空白。

现如今，2XXX 和7XXX 等航空铝合金难以制造强度高和抗疲劳性能好的焊接结构已大大限制其在航空航天等领域中的大规模工程应用[5] 。镁合金密度小 ，比强度高 ，比刚性好 ，是实现结构减重和节能减排最理想的材料之一 ，在航空航天 、汽车和轨道交通等领域有着广阔的应用前景 。 应用传统熔焊方法焊接镁合金所得到的接头存在气孔 、微裂纹等缺陷 ，且热影响区宽 ，变形大 ，限制了镁合金焊接结构的制造 ，也是制约其在相关领域大范围应用的瓶颈之一 。 因此 ，研究一种适用于铝 、镁合金等轻合金的可靠焊接方法已刻不容缓 。搅拌摩擦焊( Friction StirWelding，简称 FSW) 是由英国焊接研究所( TheWelding Institute，简称 TWI)于 1991 年研究发明的一种先进的固相连接技术[6]，被认为是自激光焊接问世以来最引人注目和最具潜力的连接技术。 搅拌头作为搅拌摩擦焊的“心脏”，其材料和结构设计是搅拌摩擦焊技术的核心，是搅拌摩擦焊工艺中最重要的技术之一，是决定搅拌摩擦焊技术能否扩大待焊材料的种类以及能否提高待焊材料板厚范围的关键。[9]

搅拌头主要由轴肩和搅拌针构成。轴肩在搅拌摩擦焊过程中主要起两种作用:( 1) 通过与工件表面间的摩擦，提供焊接热源;( 2) 提供一个封闭的焊接环境，以阻止高塑性软化材料从轴肩溢出。图 4[10]所示的是常见的几种轴肩形貌，它们都是在搅拌针和轴肩的交界处中间凹入。搅拌针在摩擦焊过程中不仅提供热输入，而且起到机械搅拌作用，因而搅拌针的形貌和几何尺寸影响着塑性软化材料的流动形式和被切削材料的体积，进而影响接头的力学性能。随着 20多年来对搅拌摩擦焊的研究越来越深入，研究者设计出了多种搅拌针，以适应多种焊接状态。（1）柱形搅拌针，在搅拌摩擦焊接工艺应用的初始阶段，柱形搅拌针应用得较为广泛，其形貌如图 5[11]所示。（2）锥形螺纹搅拌针和三槽锥形螺纹搅拌针，英国焊接研究所在淘汰柱形搅拌针后设计出锥形螺纹搅拌针( WhorlTM)[12]和三槽锥形螺纹搅拌针( MX-TrifluteTM) [13]，分别如图 6 和图 7 所示。（3）偏心圆搅拌针和偏心圆螺纹搅拌针，偏心圆搅拌针( TrivexTM) 和偏心圆螺纹搅拌针( MX-TrivexTM) [14]外形是根据搅拌摩擦焊的动态模拟得出的，分别如图 8 和图 9 所示。（4）非对称搅拌针，图 10［11］所示的为非对称搅拌针的形貌图，其搅拌针的中心轴与设备的中心轴存在一个偏角，而轴肩的表面垂直于设备的中心轴。

搅拌摩擦焊的工作原理为 ：焊接时 ，由轴肩和搅拌针组成的搅拌头旋转着插入工件 ，直至轴肩与工件接触 ，轴肩和搅拌针（主要是轴肩）与工件的摩擦产生大量的摩擦热使搅拌头周围的金属热塑化 ，同时 ，在搅拌头的作用下 ，搅拌头前方的金属被转移到搅拌头的后方 ，再通过轴肩的下压锻造即形成搅拌摩擦焊缝[7] ，如图 １ 所

示 。 搅拌头是搅拌摩擦焊的核心部件 ，如图 ２ 所示[8]。

本课题的目的是为了研究组分、含量对合金性能的影响并设计合理的组分及含量，通过实验制备出符合搅拌摩擦焊工艺性能要求的较高强度和韧度的Ti(C,N)金属陶瓷，并进行结构设计制成搅拌头，以满足焊接要求并投入日常使用中去。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

查阅资料了解常用搅拌头的结构特点，设计并制造ti(c,n)金属陶瓷搅拌头，并将其应用在铝及铝合金（或钢）的搅拌摩擦焊接中，通过分析接头的性能以及搅拌头的磨损等情况，评价该搅拌头的适用性。

2.2研究目标

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－8周：按照设计方案，制作出ti(c,n)金属陶瓷，并将其加工成搅拌头的形状。

第9－12周：将制作好的金属陶瓷搅拌头应用到铝合金或钢的搅拌摩擦焊接当中

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 邹丽艳.ti(c,n)-fe 复合材料制备工艺及其性能研究[d]. 山东:山东轻工业学院,2012.

[2] 肖建华,熊惟皓. ti(c,n) 基金属陶瓷复合材料的制备及应用[j].中国陶瓷工业,2011，18(3):1-3.

[3]李山.第四次全国硬质合金学术会议论文集，1992.7.