[發明專利]一種基于仿生結構的表層梯度合金鋼材料的制備方法

在審

• 申請號: 201510833336.0
• 申請日: 2015-11-25
• 公開（公告）號: CN105349991A
• 公開（公告）日: 2016-02-24
• 發明（設計）人: 毛向陽;王紅星;王章忠;趙秀明;陳浩;楊紅艷;姚瑤;王嘉慧
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: C23C24/08
• 分類號: C23C24/08
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

技術領域

本發明屬于金屬材料表面技術領域，特別涉及一種基于仿生結構的表層梯度合金鋼材料的制備方法。

背景技術

天然生物材料由于長期進化，形成了適應環境的精細結構和優異性能，這為進行材料的制備和表面改性提供了天然的構思，其中仿生梯度材料已在全世界引起廣泛關注。與其它仿生材料不同的是梯度材料的結構或組成成分逐漸過渡變化，如木材是天然復合梯度材料，就徑向結構看，從髓心至樹皮，管胞和木纖維的長度逐步增長，木材密度和纖維組織也逐漸增加，具有明顯的梯度特征，木材具有跨越不同尺度的多級微觀結構，仿生梯度材料相鄰尺度的自組織結構在受力時相互牽制，從而表現出更突出的力學性能，如強韌、耐磨、耐腐蝕等，其共同特點是最強表層承受最高的應力。因此，通過借鑒木材、骨骼、牙齒等生物“內疏外密”特性，對工件表面進行仿生設計，以進一步提高工件的服役壽命具有非常廣泛的經濟效益和社會效益。

目前獲得梯度結構表層有表面涂層或沉積、表面劇烈形變等方法，其中表面劇烈形變方法獲得的多尺度組織結構之間無明顯界面，其梯度更加均勻。表面劇烈形變方法主要有表面機械研磨、超聲或高能噴丸、噴砂和滾壓等，然而，這些表面劇烈形變方法獲得梯度組織結構層的厚度較低，在惡劣環境下使用壽命較短，且梯度合金元素多以化合物形式存在，導致強度有余而耐腐蝕性能、耐熱性能、抗氧化性能等提高效果不明顯。

發明內容

發明目的：本發明提供了一種基于仿生結構的表層梯度合金鋼材料的制備方法，以解決現有技術中表面劇烈形變獲得梯度合金鋼材料的梯度層偏低和梯度合金元素存在形式單一的問題。

技術方案：為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于仿生結構的表層梯度合金鋼材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟a、表面預處理：對試件表面進行砂紙粗磨、細磨、拋光、稀硝酸/鹽酸浸蝕，酒精清洗，晾干。

步驟b、大應力應變劇烈沖擊形變處理：使用沖擊裝置將試件進行連續沖擊處理，所述沖擊頻率為20~80次/秒，沖擊能為1~3J，沖擊端移動速率為1~5s，沖擊端曲率半徑為1~4mm，沖擊時間為5~30min。

步驟c、回復處理：將步驟b中經過沖擊處理的試件置于真空退火爐中回復處理，真空退火爐內的溫度為400~600℃，保溫3~12小時。

進一步的，所述步驟a中的試件材料為碳鋼、合金鋼、鑄鐵或有色金屬材料。

進一步的，所述步驟a之后先將試件預熱處理，即將步驟a中經過表面預處理的試件放入真空熱處理爐中預熱處理。

進一步的，所述預熱處理的溫度為200~400℃，并保溫10~30min。

進一步的，所述步驟b大應力應變劇烈沖擊形變處理前，在試件表面上覆蓋金屬或合金粉末。

進一步的，在未進行步驟c回復處理之前，覆蓋厚度為3mm金屬或合金粉末于沖擊處理后的試件表面。

進一步的，所述金屬或合金粉末為鉻、鎳、鋁、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、碳化物中一種或多種的混合物。

有益效果：本發明利用大應力應變劇烈沖擊形變方法誘發試件大量晶體結構缺陷和溫度提高，在應力-熱耦合效應下，增強元素擴散行為，形成具有“內疏外密”的仿生梯度組織結構；本發明基于自然界“內疏外密”仿生結構，利用大應力應變沖擊劇烈形變方法，選取合適工藝參數，可使合金鋼材料表層形成微納梯度顯微組織結構，從最表層至心部，晶粒尺寸、碳化物含量、固溶度、合金元素含量呈逐漸變化，過度連續、梯度均勻，沒有明顯界面層，也不出現開裂和剝落等缺陷。此外，梯度層的厚度較高，不低于300μm，且在梯度層內合金化程度較高，特別是固溶度提高顯著。因此，梯度層表現出良好強韌性和其它性能，如耐磨損性能、耐腐蝕性能、耐熱性能、抗氧化性能等。大應力應變沖擊形變設備可手持操作，也可結合自動化設備進行自動化操作，對金屬試件尺寸沒有限制，其工藝簡單，生產安全，成本低廉。

附圖說明

圖1碳鋼20g鋼板表面覆蓋Cr粉經劇烈沖擊和真空退火450℃×9hrs后的樣品橫截面掃描電子顯微鏡照片（JSM-6360LV，JEOL，日本）。

圖2碳鋼20g鋼板表面覆蓋Cr粉經劇烈沖擊和真空退火450℃×9hrs后的樣品橫截面Cr元素分布照片（GENESIS2000XMS60，EDAX，美國）。

圖3碳鋼20g鋼板表面覆蓋Cr粉經劇烈沖擊和真空退火450℃×9hrs后的樣品表面XRD圖片（UltimaIV，Rigaku，日本）。