CN107253148A - 一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法，即先采用激光冲击强化技术诱导较深厚度的塑性变形层，然后采用表面机械研磨处理使金属工件表面纳米化，最终获得理想层厚和优化微结构分布的金属工件表层梯度纳米结构。本发明可以获得理想层厚和优化微结构分布的表层梯度纳米结构，同时显著改善金属工件的表面粗糙度，该技术能突破强度‑塑性“倒置关系”，确保良好塑性和较高强度并存，大幅度提高金属工件的疲劳寿命、耐磨性能等综合力学性能。本发明能在铝合金、钛合金、镁合金、不锈钢、镍基高温合金等金属工件表层诱导梯度纳米结构，可以应用到航空航天、汽车轮船、化工等行业金属关键重要部件的强化、修复等多个领域。

Description

一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法
技术领域
本发明涉及表面工程技术与激光加工技术领域，具体涉及一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法。
背景技术
纳米金属材料具有强度和硬度高、物理性能、磨损性能和热加工性能好等优势。在不改变材料化学成分的前提下，结构纳米化可使材料强度和硬度提高数倍或数十倍。2016年美国军方公布的《2016-2045新科技趋势报告》提出了20项最值得关注的科学技术，先进材料尤其纳米材料制备与性能研究位居其中。伴随着强度和硬度的显著提高，纳米结构材料的塑性和韧性明显降低、加工硬化能力消失、结构稳定性变差，上述不足制约了纳米结构材料的应用和发展。随着工程结构向高强度和轻量化的发展，传统的均一材料，比如粗晶材料和纳米晶材料，都已无法满足工程结构件在极端服役环境下的性能要求。中科院金属研究所卢柯院士的研究表明：金属材料的强度增加是以牺牲粗晶或者纳米晶的塑性为代价，纳米晶–粗晶混合材料的强度–塑性综合性能不高。但梯度纳米材料表现出优良的强度/塑性综合性能。显然，基于塑性变形构筑的梯度纳米结构镁合金，具有细晶与粗晶的综合特征，能有效克服纳米结构低塑性和低韧性的缺陷，明显提升金属材料的强度、耐磨性以及热稳定性，最大程度上提升了金属材料的综合性能。
激光冲击强化(laser shock peening,LSP)是一种新型的表面强化技术，主要是采用短脉冲(几十纳秒)、高峰值功率密度(>109W/cm2)的激光辐照在金属表面，激光束通过约束层之后被吸收层吸收，吸收层从而获得能量形成爆炸性气化蒸发，产生高温高压的等离子体，由于外层约束层的约束，等离子体形成高压冲击波从而向材料内部传播，利用冲击波的力效应在材料表层发生塑性变形，使得表层材料微观组织发生变化，达到细化晶粒的效果，甚至可以在熔点较低的金属材料(如镁合金、黄铜等)表层生成梯度纳米结构。且残余应力层深度可达 1～2mm(是机械喷丸的5～10倍)，提高材料的强度、硬度、耐磨性和耐应力腐蚀性能。但是，由于吸收层的存在，激光不会烧蚀材料表面，也不会在材料表面产生高温，因此激光冲击强化只是利用了激光束的力效应，而没有热效应，属于冷加工。对于熔点较高的金属材料(如钛合金等)，其再结晶温度会相对较高，只在金属表层生成梯度亚微米结构。
表面机械研磨处理(SMAT)是一种最为行之有效的金属表层梯度纳米结构合成工艺。主要是通过弹丸在振动发生器作用下飞行并对金属表面进行高应变速率、方向随机、应变累计的塑性变形，表层应变量及应变速率随深度增大呈梯度减小，累计应变量随压入次数增多而增大，被撞击的表面产生塑性变形并形成由表及里尺寸变化的梯度纳米结构。由于弹丸对金属材料直接多方向冲击，弹丸与金属材料之间有微小的相对摩擦，产生热量，使得金属表层温度升高，可在熔点较高的金属材料(如钛合金等)表层生成梯度纳米结构。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，为了解决上述问题，本发明提出了一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法。即先采用激光冲击强化技术诱导较深厚度的塑性变形层，然后采用表面机械研磨处理使金属工件表面纳米化，最终获得理想层厚和优化微结构分布的金属工件表层梯度纳米结构。
所述金属工件材料为铝合金、钛合金、镁合金、不锈钢、镍基高温合金等应用于航空航天、汽车轮船、化工等行业的关键重要部件的金属材料。
所述激光冲击强化处理过程为：先将金属工件待处理表面依次用500#，800#，1000#，1200#，1600#，2000#和2500#的砂纸进行打磨并抛光，然后用去离子水进行超声清洗；确定与金属工件材料相关的激光冲击工艺脉宽、脉冲能量、频率、光斑直径及冲击层数，在金属工件待处理表面贴上吸收层，再对金属工件的待冲击区域进行大面积激光搭接冲击强化处理。
所述激光冲击强化处理过程中，所述脉宽为8～30ns，所述脉冲能量为2～15 J，所述频率为1Hz，所述光斑直径为2～3mm，所述光斑的横向和纵向搭接率为50％，所述冲击层数为1～3层，所述吸收层为美国3M公司生产的激光冲击强化专用铝箔，所述约束层为去离子水水流形成的1～2mm的水膜，所述脉冲的峰值压力为P1，所述光斑边缘的压力为P2，满足2σH≤P1≤2.5σH，P2≥σH，其中式中，为动态屈服强度，v为材料的泊松比，使整个激光冲击光斑区域产生动态塑性变形，而光斑中心区域金属工件不产生宏观变形。
所述激光冲击强化处理后，在金属工件表面诱导出较深的塑性变形层，可形成较深的纳米量级或亚微米量级梯度结构层。
所述表面机械研磨处理过程为：先将冲击过后的金属工件表面吸收层去除，用去离子水对金属工件表面进行超声清洗；确定与金属工件材料相关的表面机械研磨工艺振动频率、球丸直径及处理时间，在此基础上对金属工件的冲击面进行表面机械研磨处理。
所述表面机械研磨处理过程中，所述振动频率为50Hz，所述球丸直径为6～8 mm，所述处理时间为5～60min。
所述表面机械研磨处理后，在某些激光冲击强化难以纳米化的金属工件表层获得纳米量级梯度结构层，在已被激光冲击强化纳米化的金属工件表层获得更深的纳米量级梯度结构层和更优的纳米量级-亚微米量级-微米量级梯度结构层。
经测定，采用所述金属工件表层梯度纳米结构的组合可控制备方法在金属工件表面制备梯度纳米结构层，其纳米量级结构层厚为30～50μm，亚微米量级结构层厚为80～200μm，整个晶粒细化层厚为800～1300μm。
本发明有益效果：
(1)本发明有效实现了金属工件表层(铝合金、钛合金、镁合金、不锈钢、镍基高温合金和镁合金等)梯度纳米结构的组合可控制备，为航空航天、汽车轮船、化工等行业金属关键重要部件的强化、修复提供了一种新型有效的方法；
(2)本发明可以获得金属工件材料表层梯度纳米结构的理想层厚，同时优化微结构分布的表层梯度纳米结构，针对当前技术局限性，结合当前技术的可行性，创新地提出了一种切实可行的方法；
(3)本发明有效改善了金属工件材料的表面粗糙度，提高了金属工件材料的表面质量，有效降低了金属工件表面后处理的成本；
(4)本发明突破金属工件材料强度-塑性“倒置关系”，确保良好塑性和较高强度并存，大幅度提高金属工件的疲劳寿命、耐磨性能等综合力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为两个实施例试样尺寸示意图。
图2为AM50镁合金深度方向晶粒尺寸梯度变化示意图。
图3为AM50镁合金表层TEM图：(a)激光冲击强化处理的试样表层TEM 图，(b)先激光强化处理，后机械研磨处理的试样表层TEM图。
图4为H62黄铜表层TEM图：(a)激光冲击强化处理的试样表层TEM图，(b)先激光强化处理，后机械研磨处理的试样表层TEM图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
实施例一
一种使用上备方法制备镁合金表层梯度纳米结构的实例，其步骤为：
(1)选用两个尺寸为30mm×50mm×5mm的AM50镁合金试样进行对比试验，分别记作试样1和试样2，处理区域A如图1所示。
(2)对试样1和试样2按照步骤(1)中确立的区域A进行激光冲击强化处理，其中激光冲击强化参数如下：光斑形状为圆形，直径为3mm，脉宽为10 ns，脉冲能量为12J，横向和纵向搭接率为50％，冲击层数为1层。
(3)对试样2进行表面机械研磨处理，其中表面机械研磨参数如下：系统振动频率为50Hz，球丸直径为8mm，处理时间为30min。
如图3所示，图(a)为试样1表层的TEM图，图(b)为试样2表层的TEM 图。试样1的平均晶粒尺寸约为50nm，梯度纳米结构的深度约为30μm，残余应力层深度约为1mm。试样2的平均晶粒尺寸约为20nm，梯度纳米结构的深度约为50μm，残余应力层深度约为1mm。由于机械研磨处理诱导的残余应力层深度不及激光冲击诱导的残余应力层，所以试样1和试样2的残余应力层深度接近。但是，激光冲击强化细化晶粒仅仅是由激光冲击产生的力效应诱导产生的，而机械研磨处理不仅利用了其力效应还利用了其热效应，从而为再结晶提供了所需的温度，使试样表面晶粒尺寸更小。
实施例二
一种使用上备方法制备铜合金表层梯度纳米结构的实例，其步骤为：
(1)选用两个尺寸为30mm×50mm×5mm的H62黄铜试样进行对比试验，分别记作试样1和试样2，处理区域A如图1所示。
(2)对试样1和试样2按照步骤(1)中确立的区域A进行激光冲击强化处理，其中激光冲击强化参数如下：光斑形状为圆形，直径为3mm，脉宽为10 ns，脉冲能量为6J，横向和纵向搭接率为50％，冲击层数为1层。
(3)对试样2进行表面机械研磨处理，其中表面机械研磨参数如下：系统振动频率为50Hz，球丸直径为8mm，处理时间为15min。
如图4所示，图(a)为试样1表层的TEM图，图(b)为试样2表层的TEM 图。试样1的平均晶粒尺寸约为15nm，梯度纳米结构的深度约为50μm，残余应力层深度约为1mm。试样2的平均晶粒尺寸约为10nm，梯度纳米结构的深度约为60μm，残余应力层深度约为1mm。
两个实施例都表明，与单一的激光冲击强化处理方法相比，本方法制备的金属表层纳米晶粒尺寸明显减小，并有效提高了梯度纳米结构的深度。由于激光冲击强化的残余应力层深度较大，所以，两个实施例中试样1与试样2的残余应力层深度都很接近，几乎相同。

Claims (7)

1.一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法，其特征在于：先采用激光冲击强化技术诱导塑性变形层，然后采用表面机械研磨处理使金属工件表面纳米化，最终获得理想层厚和优化微结构分布的金属工件表层梯度纳米结构。
2.如权利要求1所述的一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法，其特征在于：
(1)将金属工件待处理表面打磨并抛光，清洗；
(2)确定与金属工件材料相关的激光冲击工艺脉宽、脉冲能量、频率、光斑直径及冲击层数，在金属工件待处理表面贴上吸收层，对金属工件表面的待冲击区域进行大面积激光搭接冲击强化处理；
(3)将冲击过后的金属工件表面吸收层去除并清洗；
(4)确定与金属工件材料相关的表面机械研磨工艺振动频率、球丸直径及处理时间，在此基础上对金属工件的冲击面进行表面机械研磨处理。
3.如权利要求1或2所述的一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法，其特征在于：所述金属材料为包括铝合金、钛合金、镁合金、不锈钢、镍基高温合金在内的应用于航空航天、汽车轮船、化工等行业的关键重要部件的金属材料。
4.如权利要求1或2所述的一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法，其特征在于：该组合方法处理后的金属工件材料表层纳米量级结构层厚为30～50μm，亚微米量级结构层厚为80～200μm，整个晶粒细化层厚为800～1300μm。
5.如权利要求1或2所述的一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法，其特征在于：激光冲击强化处理，所述脉宽为8～30ns，所述脉冲能量为2～15J，所述频率为1Hz，所述光斑直径为2～3mm，所述光斑的横向和纵向搭接率为50％，所述冲击层数为1～3层，所述吸收层为美国3M公司生产的激光冲击强化专用铝箔，所述约束层为去离子水水流形成的1～2mm的水膜，所述脉冲的峰值压力为P1，所述光斑边缘的压力为P2，满足2σH≤P1≤2.5σH，P2≥σH，其中式中，为动态屈服强度，v为材料的泊松比，使整个激光冲击光斑区域产生动态塑性变形，而光斑中心区域金属工件不产生宏观变形。
6.如权利要求1或2所述的一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法，其特征在于：所述表面机械研磨处理过程中，所述振动频率为50Hz，所述球丸直径为6～8mm，所述处理时间为5～60min。
7.如权利要求2所述的一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法，其特征在于，步骤(1)所述的将金属工件待处理表面打磨并抛光，清洗指：所述激光冲击强化处理过程为：先将金属工件待处理表面依次用500#，800#，1000#，1200#，1600#，2000#和2500#的砂纸进行打磨并抛光，然后用去离子水进行超声清洗。
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