[發(fā)明專利]金屬材料內(nèi)部微觀缺陷的修復(fù)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610643465.8
• 申請日: 2016-08-08
• 公開（公告）號: CN106167885B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王明道;楊屹;刁愛民;王麗平;楊剛
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢晶泰科技股份有限公司;四川大學(xué)
• 主分類號: C22F3/00
• 分類號: C22F3/00;C21D10/00
• 代理公司: 成都虹橋?qū)＠聞?wù)所(普通合伙)51124
• 代理人: 許澤偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料工程領(lǐng)域，具體涉及一種金屬材料內(nèi)部微觀缺陷的修復(fù)方法。

背景技術(shù)

金屬材料內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)以晶體形式呈現(xiàn)周期性排列，其中不可避免的存在數(shù)量極大的內(nèi)部缺陷，如原子空位、晶格位錯(cuò)、孿晶以及微裂紋等。缺陷的存在使得金屬材料內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)和能量勢場的周期性被破壞，造成局部微區(qū)畸變，原子排列畸變區(qū)域較排列規(guī)整區(qū)域往往會具有更高的能量，影響了金屬材料在制備、加工、服役等過程中的性能。其中，金屬材料內(nèi)部晶格位錯(cuò)缺陷是影響金屬材料強(qiáng)度、塑韌性等力學(xué)性能的本質(zhì)原因。金屬材料內(nèi)部缺陷使得金屬材料的實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度之間存在3個(gè)數(shù)量級的差異；同時(shí)，晶格位錯(cuò)造成金屬內(nèi)部原子滑移所需的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論要求。所以金屬材料內(nèi)部微觀缺陷是影響材料性能的重要因素，也是調(diào)控金屬材料性能的關(guān)鍵途徑。

金屬制品的失效往往也與材料內(nèi)部的缺陷密切相關(guān)，如位錯(cuò)堆積所形成的局部應(yīng)力集中區(qū)域能夠誘發(fā)裂紋萌生，導(dǎo)致失效；金屬材料內(nèi)部微觀裂紋是誘發(fā)疲勞斷裂的關(guān)鍵因素。因此，金屬材料內(nèi)部微觀缺陷是金屬材料制備件服役壽命的重要制約因素。

以前，控制金屬材料內(nèi)部缺陷的技術(shù)都廣泛集中于原材料的冶金過程以及金屬制件的熱處理過程。其中，冶金過程的調(diào)控往往聚焦于金屬的凈化，即利用一定物理化學(xué)原理和相應(yīng)的工藝措施，去除液態(tài)金屬中的有害元素、夾雜物和氣體，如脫氧、脫硫、脫碳精煉等。金屬材料熱處理是最常見的金屬材料處理工藝，旨在通過將材料加熱到不同溫度，驅(qū)動原子擴(kuò)散和相轉(zhuǎn)變，影響材料內(nèi)部組織形貌和分布，間接調(diào)控內(nèi)部缺陷的狀態(tài)。但是，無論是金屬熱處理工藝還是冶金過程的金屬凈化都無法從根本上修復(fù)材料晶體內(nèi)部缺陷；其中，金屬熱處理會引入工件的變形、材料的氧化等不可控因素，限制了其使用的范圍；金屬材料冶金過程所采取的缺陷凈化措施雖然也能夠?qū)崿F(xiàn)類似降低缺陷的效果，但是該技術(shù)不能修復(fù)液態(tài)金屬凝固、晶體生長過程出現(xiàn)的缺陷，只對外來缺陷有一定的消除和凈化作用；而且，在冶金凈化工藝中往往會引入新的添加劑，造成額外的質(zhì)量輸入，對后續(xù)階段材料的性能產(chǎn)生不良影響。

目前，如何利用磁場、電場、磁電復(fù)合場等外場技術(shù)調(diào)控金屬材料在制備、加工、服役過程的性能，是材料工程領(lǐng)域重要的研究方向之一。外場技術(shù)已廣泛應(yīng)用于液態(tài)成型、粉末冶金燒結(jié)以及塑性成形等金屬材料制造與再制造領(lǐng)域。

電場與磁場能夠明顯改變金屬液態(tài)成型過程中凝固組織的形態(tài)，細(xì)化晶粒降低成型過程的熱裂傾向；場活化燒結(jié)技術(shù)能夠快速高效低能耗地生產(chǎn)出高致密度的金屬材料制備件；電致塑性與磁致塑性被應(yīng)用于金屬材料塑性變形加工過程，極大地提高了金屬材料的塑性變形能力。隨著世界各國逐漸意識到人類生產(chǎn)活動所造成的環(huán)境破壞以及自然資源浪費(fèi)等問題的嚴(yán)重性，發(fā)展可持續(xù)制造已逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域的重點(diǎn)及焦點(diǎn)，其中，再制造是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。外場技術(shù)是再制造領(lǐng)域的新興技術(shù)之一，例如高能脈沖電流場等外界物理場可以實(shí)現(xiàn)對金屬材料中各種形式裂紋的止裂作用與損傷愈合。

現(xiàn)有利用脈沖電流對裂紋止裂，主要是在金屬材料內(nèi)部微裂紋尖端形成局部高溫，導(dǎo)致微區(qū)熔化從而使得裂紋尖端鈍化，以達(dá)到阻礙裂紋擴(kuò)展的效果，不能實(shí)現(xiàn)對微裂紋的萌生以及裂紋擴(kuò)展的抑制延緩效果，同時(shí)還會帶來熱變形和類似于焊接所形成的熱影響區(qū)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種既能夠修復(fù)金屬材料內(nèi)部微觀缺陷，以提高金屬材料的性能，又不會對金屬材料造成熱變形影響的金屬材料內(nèi)部微觀缺陷的修復(fù)方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種金屬材料內(nèi)部微觀缺陷的修復(fù)方法，包括下列步驟：

步驟一，判斷待修復(fù)的金屬材料的磁性能與基體內(nèi)部微觀缺陷的組態(tài)類型；

步驟二，將待修復(fù)的金屬材料置于能夠產(chǎn)生脈沖磁場和脈沖電場的外界物理場激發(fā)裝置中；

步驟三，根據(jù)待修復(fù)的金屬材料的磁性能與基體內(nèi)部微觀缺陷的組態(tài)類型選擇以下外場處理工藝之一進(jìn)行修復(fù)：

a、若待修復(fù)的金屬材料為非鐵磁性材料且基體內(nèi)部微觀缺陷組態(tài)中主要以線缺陷塞積形成的局部微裂紋萌生核，則啟動外界物理場激發(fā)裝置，先施加0～30s的磁脈沖作用，再施加5～15個(gè)電脈沖作用，該項(xiàng)外場處理工藝的整個(gè)處理時(shí)間為5～45s，即可完成對金屬材料內(nèi)部微觀缺陷的修復(fù)；

b、若待修復(fù)的金屬材料為鐵磁性材料且基體內(nèi)部微觀缺陷組態(tài)中主要以面缺陷構(gòu)成的微裂紋萌生核，則啟動外界物理場激發(fā)裝置，同時(shí)施加磁脈沖和電脈沖作用，整個(gè)處理時(shí)間為5～45s，即可完成對金屬材料內(nèi)部微觀缺陷的修復(fù)；