[发明专利]一种基于仿生结构的表层梯度合金钢材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料表面技术领域，特别涉及一种基于仿生结构的表层梯度合金钢材料的制备方法。

背景技术

天然生物材料由于长期进化，形成了适应环境的精细结构和优异性能，这为进行材料的制备和表面改性提供了天然的构思，其中仿生梯度材料已在全世界引起广泛关注。与其它仿生材料不同的是梯度材料的结构或组成成分逐渐过渡变化，如木材是天然复合梯度材料，就径向结构看，从髓心至树皮，管胞和木纤维的长度逐步增长，木材密度和纤维组织也逐渐增加，具有明显的梯度特征，木材具有跨越不同尺度的多级微观结构，仿生梯度材料相邻尺度的自组织结构在受力时相互牵制，从而表现出更突出的力学性能，如强韧、耐磨、耐腐蚀等，其共同特点是最强表层承受最高的应力。因此，通过借鉴木材、骨骼、牙齿等生物“内疏外密”特性，对工件表面进行仿生设计，以进一步提高工件的服役寿命具有非常广泛的经济效益和社会效益。

目前获得梯度结构表层有表面涂层或沉积、表面剧烈形变等方法，其中表面剧烈形变方法获得的多尺度组织结构之间无明显界面，其梯度更加均匀。表面剧烈形变方法主要有表面机械研磨、超声或高能喷丸、喷砂和滚压等，然而，这些表面剧烈形变方法获得梯度组织结构层的厚度较低，在恶劣环境下使用寿命较短，且梯度合金元素多以化合物形式存在，导致强度有余而耐腐蚀性能、耐热性能、抗氧化性能等提高效果不明显。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种基于仿生结构的表层梯度合金钢材料的制备方法，以解决现有技术中表面剧烈形变获得梯度合金钢材料的梯度层偏低和梯度合金元素存在形式单一的问题。

技术方案：为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于仿生结构的表层梯度合金钢材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤a、表面预处理：对试件表面进行砂纸粗磨、细磨、抛光、稀硝酸/盐酸浸蚀，酒精清洗，晾干。

步骤b、大应力应变剧烈冲击形变处理：使用冲击装置将试件进行连续冲击处理，所述冲击频率为20~80次/秒，冲击能为1~3J，冲击端移动速率为1~5s，冲击端曲率半径为1~4mm，冲击时间为5~30min。

步骤c、回复处理：将步骤b中经过冲击处理的试件置于真空退火炉中回复处理，真空退火炉内的温度为400~600℃，保温3~12小时。

进一步的，所述步骤a中的试件材料为碳钢、合金钢、铸铁或有色金属材料。

进一步的，所述步骤a之后先将试件预热处理，即将步骤a中经过表面预处理的试件放入真空热处理炉中预热处理。

进一步的，所述预热处理的温度为200~400℃，并保温10~30min。

进一步的，所述步骤b大应力应变剧烈冲击形变处理前，在试件表面上覆盖金属或合金粉末。

进一步的，在未进行步骤c回复处理之前，覆盖厚度为3mm金属或合金粉末于冲击处理后的试件表面。

进一步的，所述金属或合金粉末为铬、镍、铝、钼、钨、钒、钛、铌、碳化物中一种或多种的混合物。

有益效果：本发明利用大应力应变剧烈冲击形变方法诱发试件大量晶体结构缺陷和温度提高，在应力-热耦合效应下，增强元素扩散行为，形成具有“内疏外密”的仿生梯度组织结构；本发明基于自然界“内疏外密”仿生结构，利用大应力应变冲击剧烈形变方法，选取合适工艺参数，可使合金钢材料表层形成微纳梯度显微组织结构，从最表层至心部，晶粒尺寸、碳化物含量、固溶度、合金元素含量呈逐渐变化，过度连续、梯度均匀，没有明显界面层，也不出现开裂和剥落等缺陷。此外，梯度层的厚度较高，不低于300μm，且在梯度层内合金化程度较高，特别是固溶度提高显著。因此，梯度层表现出良好强韧性和其它性能，如耐磨损性能、耐腐蚀性能、耐热性能、抗氧化性能等。大应力应变冲击形变设备可手持操作，也可结合自动化设备进行自动化操作，对金属试件尺寸没有限制，其工艺简单，生产安全，成本低廉。

附图说明

图1碳钢20g钢板表面覆盖Cr粉经剧烈冲击和真空退火450℃×9hrs后的样品横截面扫描电子显微镜照片（JSM-6360LV，JEOL，日本）。

图2碳钢20g钢板表面覆盖Cr粉经剧烈冲击和真空退火450℃×9hrs后的样品横截面Cr元素分布照片（GENESIS2000XMS60，EDAX，美国）。

图3碳钢20g钢板表面覆盖Cr粉经剧烈冲击和真空退火450℃×9hrs后的样品表面XRD图片（UltimaIV，Rigaku，日本）。