[發明專利]一種利用滾壓變形制備金屬材料表面梯度納米層的方法

有效

• 申請號: 201410430544.1
• 申請日: 2014-08-28
• 公開（公告）號: CN104152651B
• 公開（公告）日: 2017-03-29
• 發明（設計）人: 梅青松;郝雪;劉明;袁天瑩;李楊;姚功鋮
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: C21D7/04
• 分類號: C21D7/04;C22F1/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 胡艷

技術領域

本發明屬于表面薄膜材料技術領域，尤其涉及一種利用滾壓變形制備金屬材料表面梯度納米層的方法。

背景技術

自20世紀納米材料問世以來，其展現出的遠比傳統材料優越的各項性能如高強度、高擴散系數、高耐磨性、良好的電學和磁學性能等，吸引著人們不斷探索和研究更為優異的納米材料的制備方法。然而，目前主流的塊體金屬納米材料的制備方法仍存在很多不足。原位生成法(In-situ?Synthesis)的工藝設備復雜，產量極低，很難滿足性能研究及應用的要求；強烈塑性變形法(Severe?Plastic?Deformation)如等通道擠壓、高壓扭轉、多向鍛打/壓縮技術、循環擠/壓技術等，往往因為應變量和應變率有限，只能細化晶粒至亞微米量級；機械合金化法(Mechanical?Alloying)和粉末冶金法(Powder?Metallurgy)在制備過程中極易產生雜質、污染、氧化及應力；非晶晶化法(Crystallization?of?Amorphous)局限于化學成分上能夠形成非晶結構的材料，且難以獲得大塊材料。

但是，金屬材料的失穩如磨損、疲勞、腐蝕等，往往始于表面。因此采用金屬材料表面強化的方法，在不改變基體特性的同時細化材料表面的晶粒至納米尺度，有望避免塊體納米材料制備過程中所遇到的困難，同時也能大幅提高金屬材料的性能，使其滿足使用要求。此外，對于整體納米結構材料，實現強度提升的同時，會導致塑性和韌性的降低，而盧柯等人在《Science》期刊發表的研究結果表明，與整體納米結構不同，表面梯度納米結構有望獲得強度和韌性的良好配合。

雖然人們已知形變誘導金屬材料結構納米化的基本原理是通過強塑性變形在晶粒內部產生大量的位錯，導致晶粒的破碎和不斷細化，但對其關鍵機理還缺乏足夠認識，如晶粒細化機理和晶粒尺寸的控制條件。同時，表面粗糙度較高且變形不均勻也是亟待解決的問題。

授權公告號為CN?1236075C的中國發明專利公開了一種機械強力噴丸表面納米化方法，該方法通過鋼丸撞擊工件使其表面產生塑性變形，形成納米晶層。該方法存在納米晶層表面粗糙度較高、變形層不均勻、噪音污染嚴重等問題。

授權公開號為CN102321791A的中國發明專利公開了一種利用滑動摩擦實現金屬材料表面納米化的方法，該方法通過摩擦機構在金屬表面進行滑動摩擦而實現金屬表面納米化。該方法存在生產效率低、難以應用到工程實際當中等缺點。

與此同時，現有的金屬材料表面納米化方法，都因為變形模式較為復雜，表面納米層的厚度及晶粒尺寸等結構參量受多種工藝參數影響，導致材料結構控制的難度和材料性能的難重復性，同時表面納米層厚度不足，因而難以實現表面梯度納米晶層的可控制備。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種利用滾壓變形制備金屬材料表面梯度納米層的方法，采用該方法可制備厚度和晶粒尺寸可控且變形均勻、表面光滑的梯度納米層。

本發明的原理為：通過對滾針施壓使滾針壓入金屬材料表面，再通過旋轉工作臺帶動金屬材料旋轉，滾針在金屬材料表面進行滾壓，使金屬材料樣表面產生強烈塑性變形，導致晶粒不斷細化，從而實現金屬材料表面梯度納米化。

為解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案：

利用滾壓變形制備金屬材料表面梯度納米層的方法，包括：

將金屬材料樣品夾持于夾具上，并將夾具固定于旋轉工作臺上；采用液壓系統驅動壓頭底座使鑲嵌于壓頭底座上的滾針壓入金屬材料樣品表面并對滾針施加壓力；采用動力設備驅動工作臺旋轉從而帶動金屬材料樣品旋轉，滾針在金屬材料樣品表面滾壓使金屬材料樣品表面產生強烈塑性變形，從而在金屬材料樣品表面形成梯度納米晶層；所述的滾針材料硬度大于金屬材料樣品硬度。

上述液壓系統包括液壓機、動力系統和電氣控制系統，動力系統用來給液壓機提供動力，電氣控制系統用來控制液壓機的運行與停止，液壓機用來直接給滾針施加壓力。

所述的液壓機包括下板、滑塊、若干立柱、上板和主缸，若干立柱底端安裝于下板上，其頂端固定于上板上；主缸安裝于上板中央，其下端裝設有滑塊，壓頭底座固定于滑動下端，滑塊穿過若干立柱并可沿立柱滑動從而帶動壓頭底座移動。

所述的動力系統包括壓力調節閥、油箱和油泵機電組，油箱和油泵機電組連通，壓力調節閥用來調節油泵機電組產生的壓力值。

上述旋轉工作臺位于壓頭底座下方，且旋轉工作臺和下板均固定于一底座上。

上述滾針為圓柱形，其長軸垂直于壓頭底座，并可繞其長軸旋轉。