[发明专利]一种金属材料表面纳米梯度层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属材料混合表面纳米化的制备方法，用于金属材料表面强化和改性。

背景技术

金属材料在服役过程中可能在高湿度环境下与带腐蚀性的氧化剂、还原剂长期接触，由于腐蚀一般是从材料的表面开始，通过表面处理提高材料的耐腐蚀性能比研发全新材料更有成本和时间优势。表面纳米化技术作为表面强化的一种手段，能够在材料表层形成纳米层，其优势主要在于不改变材料的外形尺寸、工艺简单易行、成本低廉及无目前所使用的阳极化工艺的环境污染问题。目前表面纳米化研究最常用的方法为表面机械研磨法，其处理过程是在一个“U”形的真空容器中放置大量球形弹丸，容器的上部将样品固定，下部与振动发生装置连接，如图1(a)所示。工作时，弹丸从各个方向随机地以较大的能量与样品碰撞，使材料的表面通过强烈塑性变形而实现纳米化，材料表面形成纳米结构层，随着距表面距离越远材料的应变和应变率沿梯度减小，如图1(b)所示；但该方法需要在真空环境中，容器的大小也限制了此方法只适用于实验室研究，不适合对大尺寸的金属零件进行表面处理，此外，产品表面粗糙度很大，进一步限制了其在工业上的进一步应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种金属材料表面光滑、无裂纹的纳米层的制备方法，能够大幅改善表面纳米化后的金属材料表面粗糙度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

对金属材料样品表面进行研磨、抛光；然后进行超音速微粒轰击表面纳米化处理，在待焊基材表面形成一层厚度不低于50μm的纳米层，表面纳米晶粒的平均尺寸不大于50nm，表面粗糙度大于3μm，表面显微硬度大于250HV；然后对金属材料样品表面进行表面机械滚压；继续采用豪克能技术对金属材料样品表面进行处理，最终使材料表面粗糙度减小为0.01～0.2μm，表面显微硬度大于300HV。

所述的超音速微粒轰击表面纳米化处理的弹丸材质为不锈钢S110、SiO₂、BN或WC，弹丸直径为0.05～0.5mm，喷射角为60°～90°，工作气压为0.1～0.53MPa，气流速率为340～1200m/s，喷射距离为10～300mm，喷射时间为0.1～300min。

所述的表面机械滚压的旋转轴转速为20～200r/min，轴上装有WC-Co硬质合金钢冲击滚轮，滚轮直径为20～60mm，厚度为5～30mm，搅拌摩擦焊接接头表面沿滚轮转轴方向往复运动的移动速率为0.05～5mm/s，移动最大距离为1～300mm，往复移动一个来回为2次处理，滚压次数1～100次，工作环境温度为-50℃～100℃。

所述豪克能技术的加工工具头的振动频率是10～40KHz，振幅是5～30μm，沿横轴移动速度是5～30mm/min，沿纵轴移动速度是10～200mm/min。

本发明的有益效果是：本发明提出的基于超音速微粒轰击技术和表面机械滚压技术的金属材料混合表面纳米化方法，结合豪克能技术能够改善金属材料表面纳米化后表面粗糙度很大的问题，制备出表面光滑、无裂纹的纳米层，适合对大尺寸的金属零件进行表面强化处理，进一步推动了表面纳米化的工业化应用。具体优点如下：

1、金属材料表面纳米层厚，表面光滑、无裂纹，材料的机械性能(如：表面显微硬度、力学性能、耐疲劳性能、耐磨性能、耐腐蚀性能)得到明显提高，金属材料表面残余应力增加且分布均匀；

2、工艺简单易行、成本低廉，无目前所使用的阳极化工艺的环境污染问题，工序简单、耗能少，丸粒的重复使用率高，滚压设备制造与维护便捷，豪克能刀具更换简单；

3、适用范围广，本发明可以适用于各种金属材料，广泛应用于机床、仪表、船舶、飞机、航空航天材料、矿山设备、化工等领域。

附图说明

图1是表面机械研磨法示意图，其中，(a)是表面机械研磨法装置示意图，(b)是材料的梯度纳米结构层组织分布示意图；

图2是超音速微粒轰击法示意图；

图3是表面机械滚压技术示意图；

图4是豪克能技术示意图；

图5是2A14铝合金横截面显微组织的OM像；

图6是经超音速微粒轰击处理后2A14铝合金横截面形貌的OM像；

图7是经表面机械滚压技术处理后2A14铝合金横截面形貌的OM像；

图8是经豪克能技术处理后2A14铝合金横截面形貌的OM像；