[發明專利]一種具有雙梯度的竹節式納米結構金屬材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110257706.6
• 申請日: 2021-03-10
• 公開（公告）號: CN113151774B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 曹陽;高雨奇;臧鈺;周浩;李玉勝;聶金鳳;趙永好
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: C23C8/24
• 分類號: C23C8/24;C23C8/04;C21D7/08
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 張玲

本發明為一種具有雙梯度的竹節式納米結構金屬材料及其制備方法。包括如下步驟：(1)通過整體表面機械碾磨和同步離子滲氮，完成整個回轉件表面的梯度變形，在回轉件的表面制備出均勻納米晶層，氮元素擴散材料形成表面成分含量高，芯部成分含量低的梯度分布；(2)對步驟(1)得到的回轉件進行局部表面機械碾磨和同步離子滲氮，在回轉件表面得到多個厚度為表面納米晶層厚度1.5?3倍的環狀竹節式納米晶層。本發明采用表面機械碾磨或者碾壓結合離子滲氮，調控金屬的微觀組織結構和成分，可顯著提高金屬材料的力學性能；整個過程產生的宏觀變形量小，適用范圍廣，可操作性強；涉及的加工工藝簡單，安全系數高。

技術領域

本發明屬于材料制備領域，具體涉及一種具有雙梯度的竹節式納米結構金屬材料及其制備方法。

背景技術

金屬材料是指具有光澤、延展性、易導電、可傳熱等性質的材料。一般分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料三種。部分金屬材料例如：鋼鐵材料、鋁合金材料、鈦合金材料、等，具有較高的強度，所以被廣泛的應用于制造支撐工程結構的受力構件。在實際的應用當中，很多結構材料的失效發生在表面局部位置的然后傳到或擴張成更大失效區域，從而引起材料力學性能下降，縮短構件的使用壽命。受到大自然部分生物材料的梯度結構的啟發，近年來工程師們開發了多種表面納米化技術，成功在工程材料表面制備了晶粒尺寸從表層納米尺度連續變化到內部宏觀尺度的梯度納米結構，強化和保護了材料表面，提升了材料的綜合性能，有效地緩解了材料表面時效的問題。

盧柯院士在我國的金屬學報，2015，51：1-10上發表的《梯度納米結構材料》一文中，介紹了多種常見的材料表面納米化技術，包括：(1)表面機械研磨處理技術、(2)表面機械碾磨處理技術、(3)表面機械碾壓處理技術、(4)濺射沉積處理技術、(5)激光或電子束沉積處理技術、(6)電化學沉積處理技術。相較而言(1)表面機械研磨處理技術、(2)表面機械碾磨處理技術和(3)表面機械碾壓處理技術都具有明顯的高效率優勢，并且對材料的尺寸基本沒有限制。而其他的表面納米化方法則更適合用于制備尺寸較小的，對材料精密度要求嚴格的構件。表面機械研磨處理技術會造成表面壓入式梯度變形，當塑性變形的應變量足夠大時，材料表面便會形成納米晶結構，晶粒尺寸則隨著距離表面距離的增加而遞增。表面機械碾磨或者碾壓處理技術則可以造成表面碾磨式梯度變形或者表面碾壓式梯度變形，取決于壓頭的設計。如果，壓頭是固定的，則會造成表面碾磨式梯度變形。如果，壓頭是可以自由滾動的滾珠，則會造成表面碾壓式梯度變形。通常情況下，表面碾壓式梯度變形后的材料表面光潔度最好，表面碾磨式梯度變形其次，表面壓入式梯度變形的粗糙度則比較大。在實際應用當中可根據工藝成本，產品質量等要求，選擇不同的表面納米化技術。

表面納米化技術可以制備結構梯度，而工業上常見的表面滲氮技術則可以制備成分梯度，優化產品的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫的等特性。所以，表面滲氮技術被廣泛的應用于齒輪，活塞，剎車片等耐磨零部件的生產和加工。氣體滲氮和液體滲氮通常在500℃以上進行。然而如果對劇烈塑性變形后材料進行滲氮，溫度高使得晶粒再結晶長大，強度降低，達不到性能要求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有結構、成分雙梯度的竹節式納米結構金屬材料，及其制備方法；本發明通過調控表面機械碾磨或者碾壓的載荷和加載方向獲得竹節式的納米結構金屬材料，在棒材表面進行機械碾磨或者機械碾壓的同時對材料進行離子滲氮，使氮元素擴散融入材料，提高材料表面硬度、耐磨性和耐蝕性，獲得結構、成分雙梯度的竹節式納米結構金屬材料。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種具有雙梯度的竹節式納米結構金屬材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟(1)：采用金屬回轉件為原材料，通過整體表面機械碾磨和同步離子滲氮，完成整個回轉件表面的梯度變形，在回轉件的表面制備出均勻納米晶層，氮元素擴散材料形成表面成分含量高，芯部成分含量低的梯度分布；