[發明專利]基于混合表面納米化技術的金屬材料表面強化方法在審

申請號：	201710122064.2	申請日：	2017-03-03
公開（公告）號：	CN106929777A	公開（公告）日：	2017-07-07
發明（設計）人：	楊建海;加慶波;葛利玲;程曉;高楊;樊星;陳雷波	申請（專利權）人：	中國人民解放軍火箭軍工程大學
主分類號：	C22F1/00	分類號：	C22F1/00;C21D7/04;C21D7/06;C22F1/04
代理公司：	西北工業大學專利中心61204	代理人：	顧潮琪
地址：	710025 陜***	國省代碼：	陜西;61
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摘要：
搜索關鍵詞：	基于混合表面納米技術金屬材料強化方法
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【說明書】：

技術領域

本發明涉及一種金屬材料混合表面納米化的制備方法，用于金屬材料表面強化和改性。

背景技術

金屬材料在服役過程中可能在高濕度環境下與帶腐蝕性的氧化劑、還原劑長期接觸，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全新材料更有成本和時間優勢。表面納米化技術作為表面強化的一種手段，能夠在材料表層形成納米層，其優勢主要在于不改變材料的外形尺寸、工藝簡單易行、成本低廉及無目前所使用的陽極化工藝的環境污染問題。目前表面納米化研究最常用的方法為表面機械研磨法，其處理過程是在一個“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，下部與振動發生裝置連接，如圖1(a)所示。工作時，彈丸從各個方向隨機地以較大的能量與樣品碰撞，使材料的表面通過強烈塑性變形而實現納米化，材料表面形成納米結構層，隨著距表面距離越遠材料的應變和應變率沿梯度減小，如圖1(b)；但該方法需要在真空環境中，容器的大小也限制了此方法只適用于實驗室研究，不適合對大尺寸的金屬零件進行表面處理，此外，產品表面粗糙度很大，進一步限制了其在工業上的進一步應用。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基于超音速微粒轟擊技術和表面機械滾壓技術相結合的混合表面納米化方法，能夠大幅改善表面納米化后的金屬材料表面粗糙度。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

對金屬材料樣品表面進行研磨、拋光；然后進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；然后對金屬材料樣品表面進行表面機械滾壓。

所述的超音速微粒轟擊表面納米化處理的彈丸材質為不銹鋼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，噴射時間為0.1～300min。

所述的表面機械滾壓的旋轉軸轉速為20～200r/min，軸上裝有WC-Co硬質合金鋼沖擊滾輪，滾輪直徑為20～60mm，厚度為5～30mm，攪拌摩擦焊接接頭表面沿滾輪轉軸方向往復運動的移動速率為0.05～5mm/s，移動最大距離為1～300mm，往復移動一個來回為2次處理，滾壓次數1～100次，工作環境溫度為-50℃～100℃。

本發明的有益效果是：能夠改善金屬材料表面納米化后表面粗糙度很大的問題，適合對大尺寸的金屬零件進行表面強化處理，進一步推動了表面納米化的工業化應用。具體優點如下：

1、金屬材料表面納米層厚，表面無裂紋，材料的機械性能(如：表面顯微硬度、力學性能、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力增加且分布均勻；

2、工藝簡單易行、成本低廉，無目前所使用的陽極化工藝的環境污染問題，工序簡單、耗能少，丸粒的重復使用率高，滾壓設備制造與維護便捷；

3、適用范圍廣，本發明可以適用于各種金屬材料，廣泛應用于機床、儀表、船舶、飛機、航空航天材料、礦山設備、化工等領域。

附圖說明

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

圖2是超音速微粒轟擊法示意圖；

圖3是表面機械滾壓技術示意圖；

圖4是2A14鋁合金橫截面顯微組織的OM像；

圖5是經超音速微粒轟擊處理后2A14鋁合金橫截面形貌的OM像；

圖6是經表面機械滾壓技術處理后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；