本發(fā)明涉及一種金屬材料表面納米化的制備方法，用于金屬材料表面強(qiáng)化和改性。

背景技術(shù)：

金屬材料在服役過程中可能在高濕度環(huán)境下與帶腐蝕性的氧化劑、還原劑長(zhǎng)期接觸，由于腐蝕一般是從材料的表面開始，通過表面處理提高材料的耐腐蝕性能比研發(fā)全新材料更有成本和時(shí)間優(yōu)勢(shì)。表面納米化技術(shù)作為表面強(qiáng)化的一種手段，能夠在材料表層形成納米層，其優(yōu)勢(shì)主要在于不改變材料的外形尺寸、工藝簡(jiǎn)單易行、成本低廉及無(wú)目前所使用的陽(yáng)極化工藝的環(huán)境污染問題。目前表面納米化研究最常用的方法為表面機(jī)械研磨法，其處理過程是在一個(gè)“u”形的真空容器中放置大量球形彈丸，容器的上部將樣品固定，下部與振動(dòng)發(fā)生裝置連接，如圖1(a)所示。工作時(shí)，彈丸從各個(gè)方向隨機(jī)地以較大的能量與樣品碰撞，使材料的表面通過強(qiáng)烈塑性變形而實(shí)現(xiàn)納米化，材料表面形成納米結(jié)構(gòu)層，隨著距表面距離越遠(yuǎn)材料的應(yīng)變和應(yīng)變率沿梯度減小，如圖1(b)所示；但該方法需要在真空環(huán)境中，容器的大小也限制了此方法只適用于實(shí)驗(yàn)室研究，不適合對(duì)大尺寸的金屬零件進(jìn)行表面處理，此外，產(chǎn)品表面粗糙度很大，進(jìn)一步限制了其在工業(yè)上的進(jìn)一步應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于超音速微粒轟擊技術(shù)和豪克能技術(shù)相結(jié)合的金屬材料表面納米化方法，能夠大幅改善表面納米化后的金屬材料表面粗糙度。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

對(duì)金屬材料樣品表面進(jìn)行研磨、拋光；然后進(jìn)行超音速微粒轟擊表面納米化處理，在待焊基材表面形成一層厚度不低于50μm的納米層，表面納米晶粒的平均尺寸不大于50nm，表面粗糙度大于3μm，表面顯微硬度大于250hv；采用豪克能技術(shù)對(duì)金屬材料樣品表面進(jìn)行處理，最終使材料表面粗糙度減小為0.01～0.2μm，表面顯微硬度大于300hv。

所述的超音速微粒轟擊表面納米化處理的彈丸材質(zhì)為不銹鋼s110、sio2、bn或wc，彈丸直徑為0.05～0.5mm，噴射角為60°～90°，工作氣壓為0.1～0.53mpa，氣流速率為340～1200m/s，噴射距離為10～300mm，噴射時(shí)間為0.1～300min。

所述豪克能技術(shù)的加工工具頭的振動(dòng)頻率是10～40khz，振幅是5～30μm，沿橫軸移動(dòng)速度是5～30mm/min，沿縱軸移動(dòng)速度是10～200mm/min。

本發(fā)明的有益效果是：能夠改善金屬材料表面納米化后表面粗糙度很大的問題，適合對(duì)大尺寸的金屬零件進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，進(jìn)一步推動(dòng)了表面納米化的工業(yè)化應(yīng)用。具體優(yōu)點(diǎn)如下：

1、金屬材料表面納米層厚，表面光滑、無(wú)裂紋，表面粗糙度非常小，材料的機(jī)械性能(如：表面顯微硬度、力學(xué)性能、耐疲勞性能、耐磨性能、耐腐蝕性能)得到明顯提高，金屬材料表面殘余應(yīng)力增加且分布均勻；

2、工藝簡(jiǎn)單易行、成本低廉，無(wú)目前所使用的陽(yáng)極化工藝的環(huán)境污染問題，工序簡(jiǎn)單、耗能少，丸粒的重復(fù)使用率高，豪克能刀具更換簡(jiǎn)單；

3、適用范圍廣，本發(fā)明可以適用于各種金屬材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)床、儀表、船舶、飛機(jī)、航空航天材料、礦山設(shè)備、化工等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是表面機(jī)械研磨法示意圖，其中，(a)是表面機(jī)械研磨法裝置示意圖，(b)是材料的梯度納米結(jié)構(gòu)層組織分布示意圖；

圖2是超音速微粒轟擊法示意圖；

圖3是豪克能技術(shù)示意圖；

圖4是2a14鋁合金橫截面顯微組織的om像；

圖5是經(jīng)超音速微粒轟擊處理后2a14鋁合金橫截面形貌的om像；

圖6是經(jīng)豪克能技術(shù)處理后2a14鋁合金橫截面形貌的om像；

圖7是表面納米化處理前后2a14鋁合金顯微硬度沿梯度的變化示意圖；

圖8是2a14鋁合金經(jīng)超音速微粒轟擊技術(shù)處理后表層截面的tem像，其中，(a)是明場(chǎng)像及相應(yīng)選取電子衍射花樣，(b)是暗場(chǎng)像；

圖9是2a14鋁合金經(jīng)豪克能技術(shù)處理后表層截面的tem像，其中，(a)是明場(chǎng)像及相應(yīng)選取電子衍射花樣，(b)是暗場(chǎng)像；

圖10是2a14鋁合金經(jīng)超音速微粒轟擊技術(shù)處理后表層截面的tem像，其中，(a)是明場(chǎng)像及相應(yīng)選取電子衍射花樣，(b)是暗場(chǎng)像；

圖11是2a14鋁合金經(jīng)豪克能技術(shù)處理后表層截面的tem像，其中，(a)是明場(chǎng)像及相應(yīng)選取電子衍射花樣，(b)是暗場(chǎng)像；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。

本發(fā)明屬于金屬材料表面納米化領(lǐng)域，具體說是基于超音速微粒轟擊技術(shù)和豪克能技術(shù)的金屬材料表面納米化方法。本發(fā)明利用高壓氣體發(fā)生裝置產(chǎn)生的高壓氣體攜帶硬質(zhì)球形顆粒以340～1200m/s的速度連續(xù)轟擊金屬材料表面，使其表面形成一定厚度的納米層，為了使金屬材料表面粗糙度大幅降低以滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，而后采用豪克能技術(shù)進(jìn)行處理，將由電能轉(zhuǎn)換的、高頻、高能量密度、振幅很小的超聲波能和沖擊能的復(fù)合能，作用在金屬零件表面進(jìn)行無(wú)研磨劑的研磨、強(qiáng)化和微小形變處理，在保留材料表面納米層的同時(shí)使材料表面達(dá)到鏡面水平。本發(fā)明適用范圍廣，裝置簡(jiǎn)單易操作、成本低、生產(chǎn)效率高、無(wú)污染，可以對(duì)形狀復(fù)雜或大平面工件進(jìn)行表面納米化處理，表面粗糙度滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

本發(fā)明以金屬材料為對(duì)象，首先將金屬材料樣品表面進(jìn)行常規(guī)研磨、拋光處理。采用1433/8558progressive(dt1480)數(shù)控噴丸機(jī)對(duì)金屬材料進(jìn)行超音速微粒轟擊表面納米化處理，主要參數(shù)為：彈丸材質(zhì)為不銹鋼s110、sio2、bn、wc，彈丸直徑0.05-0.5mm，噴射角60°-90°，工作氣壓0.1-0.53mpa，氣流速率340-1200m/s，噴射距離10-300mm，噴射時(shí)間0.1-300min。處理完后，材料表面形成一層不低于50μm厚的納米層，表面納米晶粒的平均尺寸不大于50nm，表面粗糙度大于3μm，表面顯微硬度大于250hv。

采用超音速微粒轟擊技術(shù)對(duì)金屬材料表面納米化處理完后，采用豪克能設(shè)備hkusm30s對(duì)材料表面繼續(xù)進(jìn)行處理，加工工具頭的振動(dòng)頻率是10-40khz，振幅是5-30μm，沿橫軸移動(dòng)速度是5-30mm/min，沿縱軸移動(dòng)速度是10-200mm/min。最終使材料表面粗糙度減小為0.01-0.2μm，表面顯微硬度大于300hv。

實(shí)施例1：

本發(fā)明以2a14鋁合金為處理對(duì)象，2a14為al-mg-si-cu系合金，加工500mm×500mm×5mm的鋁合金板，將樣品表面進(jìn)行常規(guī)研磨、拋光處理。采用1433/8558progressive(dt1480)數(shù)控噴丸機(jī)對(duì)鋁合金進(jìn)行超音速微粒轟擊表面處理，主要參數(shù)為：彈丸材質(zhì)為不銹鋼s110，彈丸直徑0.3mm，噴射角90°，工作氣壓0.53mpa，氣流速率1200m/s，噴射距離130mm，噴射時(shí)間10min。處理完后，材料表面形成一層約50μm厚的納米層，表面晶粒由基體的30μm(如圖4)減小到納米層晶粒的30nm，表面納米層晶粒的tem明場(chǎng)像及相應(yīng)選取電子衍射花樣、暗場(chǎng)像如圖8，表面粗糙度為5.292μm(如圖5)，表面顯微硬度為332hv(如圖7)。

采用超音速微粒轟擊技術(shù)對(duì)2a14鋁合金表面納米化處理完后，采用豪克能設(shè)備hkusm30s對(duì)材料表面繼續(xù)進(jìn)行處理，加工工具頭的振動(dòng)頻率是30khz，振幅是10μm，沿橫軸移動(dòng)速度是20mm/min，沿縱軸移動(dòng)速度是100mm/min。最終使材料表面粗糙度減小為0.153μm(如圖6)，表面顯微硬度為338hv(如圖7)，表面納米層晶粒的tem明場(chǎng)像及相應(yīng)選取電子衍射花樣、暗場(chǎng)像如圖9。

實(shí)施例2：

與案例1不同之處：

采用1433/8558progressive(dt1480)數(shù)控噴丸機(jī)對(duì)鋁合金進(jìn)行超音速微粒轟擊表面處理，主要參數(shù)為：彈丸材質(zhì)為wc，彈丸直徑0.5mm，工作氣壓0.4mpa，噴射時(shí)間20min。處理完后，材料表面形成一層約50μm厚的納米層，表面納米層晶粒平均尺寸為50nm，其tem明場(chǎng)像及相應(yīng)選取電子衍射花樣、暗場(chǎng)像如圖10，表面粗糙度為6.879μm。

采用超音速微粒轟擊技術(shù)對(duì)2a14鋁合金表面納米化處理完后，采用豪克能設(shè)備hkusm30s對(duì)材料表面繼續(xù)進(jìn)行處理，加工工具頭的振動(dòng)頻率是20khz，振幅是15μm，沿橫軸移動(dòng)速度是15mm/min，沿縱軸移動(dòng)速度是80mm/min。最終使材料表面粗糙度減小為0.267μm，表面納米層晶粒的tem明場(chǎng)像及相應(yīng)選取電子衍射花樣、暗場(chǎng)像如圖11。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明提供了一種基于超音速微粒轟擊和豪克能的金屬材料表面納米化方法，對(duì)金屬材料樣品表面進(jìn)行研磨、拋光；然后進(jìn)行超音速微粒轟擊表面納米化處理，在待焊基材表面形成一層厚度不低于50μm的納米層，表面納米晶粒的平均尺寸不大于50nm，表面粗糙度大于3μm，表面顯微硬度大于250HV；采用豪克能技術(shù)對(duì)金屬材料樣品表面進(jìn)行處理，最終使材料表面粗糙度減小為0.01～0.2μm，表面顯微硬度大于300HV。本發(fā)明能夠大幅改善表面納米化后的金屬材料表面粗糙度。

技術(shù)研發(fā)人員：張玉祥;楊建海;裴永泉;陳家照;王敏轉(zhuǎn);張?chǎng)?何禎鑫;高楊

受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)人民解放軍火箭軍工程大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2017.03.03

技術(shù)公布日：2017.07.07