[发明专利]一种高强高硬金属材料表面梯度纳米结构的制备方法

说明书

本发明公开了一种高强高硬金属材料表面梯度纳米结构的制备方法，包括以下步骤：将工具头(11)和工件(9)分别与高瞬时能量密度脉冲电源(1)的正极和负极相连接；保持工具头(11)与工件(9)良好的接触，打开高瞬时能量密度脉冲电源(1)、超声发生器(2)和喷嘴(8)，工具头(11)在超声发生器(2)的作用下沿Z轴做超声振动，开始对工件表面进行高瞬时能量密度电脉冲和超声波复合处理；电脉冲形成的瞬时高温和超声波微观机械冲击复合作用可使镍基高温合金、模具钢等高强高硬金属材料处理点处的局部微塑性大大增加，使处理点处产生强烈的塑性变形，从而对工件表面进行有效的纳米化，表面晶粒平均尺寸可在30纳米以下。

技术领域

本发明属于材料表面处理领域，具体地涉及一种高强高硬金属材料表面梯度纳米结构的制备方法。

背景技术

金属材料表面的晶粒尺寸达到纳米级(晶粒尺寸<100nm)后会具有优异的物理和化学性能，可以显著提高其零部件的综合使用性能和寿命。

目前国内外常用的金属材料表面纳米化方法主要有激光冲击方法和表面机械处理法。激光冲击方法是利用高瞬时能量密度激光冲击波的力学效应，在金属材料表层形成大数值残余压应力和微观组织变化，从而可在其表面获得纳米晶粒。但是该方法产生的纳米晶层较薄，纳米晶层通常小于1微米，影响了材料的后续使用性能，且需要在被处理材料表面增加吸收层和约束层，工艺较为复杂。表面机械处理法主要包括高能喷丸、超音速微粒轰击、表面机械研磨处理、表面扭转、超声滚压、表面摩擦等，这些方法均通过外加载荷使材料表面产生强烈的塑性变形和大量的缺陷，从而使金属表面晶粒细化至纳米尺度，形成一层具有梯度纳米结构的表面层，纳米晶层的厚度通常可达数十微米，在改善金属性能的同时，可避免制备整体金属纳米晶体材料的困难。由于该类方法比较简单、处理成本低，引起了各国学者的普遍重视。然而，现有的表面机械处理方法主要用于纯铁、纯铜、纯镍、纯钛、不锈钢、镁合金、铝合金、钛合金等硬度较低(硬度低于HV300)、塑性较好的金属材料表面纳米层制备。

对于镍基高温合金、模具钢等具有较高强度和较高硬度的金属材料，仅通过表面机械作用使其表面产生强烈塑性变形制备纳米层结构是非常困难的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种高强高硬金属材料表面梯度纳米结构的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种高强高硬金属材料表面梯度纳米结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将高强高硬金属材料安装在工作台(10)上，安装好工具头，将工具头(11)和工件(9)分别与高瞬时能量密度脉冲电源(1)的正极和负极相连接，并将工具头(11)通过螺纹连接在超声换能器(12)输出端；

步骤2：调节气缸输出压力，保持工具头(11)与工件(9)良好的接触，打开高瞬时能量密度脉冲电源(1)、超声发生器(2)和喷嘴(8)，工具头(11)在超声发生器(2)的作用下沿Z轴做超声振动，开始对工件表面进行高瞬时能量密度电脉冲和超声波复合处理，喷嘴(8)不断向工具头(11)与工件(9)接触点处喷射冷却液；与此同时，工件(9)在工作台(10)的带动下在X轴运动，工具头(11)和工件(9)产生相对位移；

步骤3：工具头(11)移动至材料处理边界位置后，工作台(10)沿Y轴步进一定距离重复步骤2直至全部处理结束。

所述的方法，调节气缸输出压力为500-700N。