[发明专利]一种具有不锈钢性能的低成本长寿命表层梯度材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料表面强化与改性技术领域，特别涉及一种具有不锈钢性能的低成本长寿命表层梯度材料及其制备方法。

背景技术

不锈钢由于其优异的耐腐蚀性能、加工性能、耐热性能和力学性能等综合性能，广泛应用于家电、卫浴、食品卫生、装饰、建筑、交通等人们生活中各个场所，已经逐渐成为衡量一个国家人们生活质量的主要指标之一，如在欧美等发达国家，白色家电和器皿行业所用不锈钢占不锈钢总消耗量大于40%，然而，不锈钢由于含有大量Cr、Ni等合金元素，其成本价格居高不下，高价格极大限制了不锈钢在人们生活家居行业的使用。因此，开发低成本长寿命不锈钢材料越来越引起国内外重视。表面剧烈塑性变形诱发合金化技术可以使材料表面化学成分、组织结构和性能呈梯度变化，使表面性能显著提高，而基体内部仍保持原有力学性能，从而取代价格昂贵的块体合金材料，使普通基体材料能够在腐蚀介质等环境中更广泛应用。

目前，表面剧烈塑性变形合金化方法主要有表面机械研磨、超声或高能喷丸、喷砂和滚压等。利用这些表面剧烈塑性变形合金化的研究已经取得一系列进展，例如，利用机械研磨工艺加速Zn元素在Fe基合金表面扩散形成金属间化合物（H.L.Wang,Z.B.Wang,K.Lu,EnhancedreactivediffusionofZninananostructuredFeProducedbymeansofsurfacemechanicalattritiontreatment,ActaMaterialia,2012,60(4):1762-1770）；经机械研磨处理后，Ni元素在纯Cu表面10μm距离内的扩散系数提高约2倍^[9]（Z.B.Wang,K.Lu,G.Wilde,S.V.Divinski.InterfacialdiffusioninCuwithagradientnanostructuredsurfacelayer,ActaMaterialia,2010,58(7):2376-2386）；利用超声喷丸处理，使Ni金属粉末在Fe基合金表面形成约2μm的Fe-Ni金属间化合物，力学性能和耐腐蚀性能显著提高（T.Zhang,D.P.Wang,Y.Wang,C.Y.Deng,B.M.Gong,Surfacealloyingmethodofultrasonicshotpeeningonironsurface,AppliedSurfaceScience,2013,265:671-676）。

然而，这些表面剧烈塑性变形合金化方法获得梯度组织结构的厚度低于100μm，在恶劣环境下使用寿命较短，此外，这些表面剧烈塑性变形合金化的程度较低，且合金元素多以化合物形成存在，众所周知，合金元素以固溶形式存在才能有利于耐腐蚀性能的提高。因此，提高普通基体材料合金化深度和合金化程度，形成表层梯度组织结构，在降低成本和延长使用寿命方面具有重要工程意义。

发明内容

发明目的之一：本发明提供了一种具有不锈钢性能的低成本长寿命表层梯度材料，以解决现有技术中不锈钢成本偏贵的问题。

本发明的另一目的：本发明提供了一种具有不锈钢性能的低成本长寿命表层梯度材料的制备方法，以解决上述表面剧烈塑性变形诱发合金化程度偏低和合金化深度较浅的技术问题。

技术方案：为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有不锈钢性能的低成本长寿命表层梯度材料，包括具有不锈钢性能的表层梯度结构；所述表层梯度结构的晶粒尺寸由表面至心部逐渐增大至与表层梯度材料的基体相同的晶粒尺寸；所述表层梯度结构的固溶度和碳化物含量由表面至心部逐渐降低，其合金化程度和合金化深度显著提高，表层梯度结构和基体无明显界面，过度连续。

进一步的，所述表层梯度结构的最表层晶粒尺寸变化范围为20nm~100nm，所述表层梯度结构的厚度大于300μm。

进一步的，所述表层梯度结构中的Cr元素含量大于15wt%，其中以固溶体形式存在的Cr含量大于13wt%，以碳化物形式存在的Cr含量大于2%。

一种具有不锈钢性能的低成本长寿命表层梯度材料的制备方法，包括以下步骤：

a、表面预处理：对基体表面进行砂纸粗磨、细磨、抛光、稀硝酸浸蚀，酒精清洗，晾干；

b、预置金属粉末：将所需的金属粉末覆盖在基体表面；

c、大应力应变冲击形变处理：使用冲击装置进行连续冲击表面覆盖金属粉末的基体；