CN112662853A - 一种超快金属纳米材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属纳米材料的制备方法。一种超快金属纳米材料制备方法，其特征在于包括如下步骤：利用高频超声波信号激发钢球以1m/s～50m/s高速往复循环冲击金属材料表面；同时，金属材料高速旋转或者震动以实现复合运动组合。所述高频超声波信号为20KHz～10000KHz。所述钢球的直径为1mm～5mm。所述钢球数量为10～1000个。本发明提出的超声波复合冲击技术具有效率高、稳定性好以及设备简易的特点，能够在极短(10s‑60s)的时间内实现块体金属纳米材料的制备。

Description

一种超快金属纳米材料制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属纳米材料的制备方法。

背景技术

金属纳米材料具备强度高、耐磨性好以及抗腐蚀性能优的特点，可潜在应用于汽车、航空航天关键、高端零部件的制造。然而，目前的金属纳米材料制备工艺流程较为复杂，且耗时较长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超快金属纳米材料制备方法，该方法能够在10s～60s以内实现块体金属纳米材料的制备。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超快金属纳米材料制备方法，其特征在于包括如下步骤：利用高频超声波信号激发钢球以1m/s～50m/s高速往复循环冲击金属材料表面；同时，金属材料由高速电机带动以100rmp～100,000rmp的速度高速旋转或者震动(以实现复合运动组合)。

所述高频超声波信号为20KHz～10，000KHz。

所述钢球的直径为1mm～5mm。

所述钢球数量为10～1000个。

所述钢球、金属材料、高频超声波信号的输出口均位于处理仓内，处理仓安装在支架的面板上形成封闭式结构。高频超声波信号由超声波发生器1、超声波信号线2、超声波放大器3和超声波喷头5实现。

所述金属材料距高频超声波信号的输出口的高度为5～50mm。

实现上述方法的装置，包括超声波发生器1、超声波信号线2、超声波放大器3、支架4、超声波喷头5、钢球7、处理仓8、高速电机；处理仓8的左右侧壁上分别设有轴承安装孔，超声波发生器1的输出端由超声波信号线2与超声波放大器3的输入端相连，超声波放大器3的输出端与超声波喷头5的输入端相连，超声波喷头5固定安装在支架4上；支架4的面板6上安装有处理仓8，超声波喷头5的输出口位于处理仓8内，处理仓8内放置有多个钢球(所述多个钢球为10～1000个)，金属材料加工成圆棒，圆棒的两端部分别轴承10安装在处理仓8内，圆棒位于超声波喷头5的输出口的上方。

本发明所提出的处理仓采用封闭式结构(该封闭仓在结构上仅允许超声波探头以及处理金属材料(零部件)进入。该封闭处理仓能够实现在处理过程中钢球不会飞出的功能)，该设计能够使高强钢球往复作用与强化金属材料及超声波探头，这样一方面可以大大简化设备的结构(省去了高强钢球回收循环装置，也降低了操作过程中的安全风险)，另一方面也可以降低高强钢球的数量。

该方法基于复合相对运动原理，极大限度的增加材料变形剪切应变，达到超快速将剧烈塑性应变及高应变速率引入到金属材料，实现金属纳米材料超快速制备的目的。

本发明的特点：

(1)采用高频超声波(20KHz～10,000KHz)信号激发钢球高速冲击金属材料表面，使材料表面产生剧烈塑性变形，并且在材料表面引入高密度位错以及晶粒细化。

(2)金属材料的旋转运动叠加超声波钢球冲击的运动组合模式将会在材料表面引入较大的剪切塑性应变，实现金属纳米材料的超快制备。

(3)本发明的方法也可以用于实现其他金属纳米材料的快速制备。

本发明的有益效果在于：相比传统的金属纳米材料制备方法，本发明提出的超声波复合冲击技术具有效率高、稳定性好以及设备简易的特点，能够在极短(10s-60s)的时间内实现块体金属纳米材料的制备。处理仓采取封闭式结构，这样处理仓能够使高强钢球往复作用于金属材料，实现金属纳米材料超快速制备。

附图说明

图1是本发明316L不锈钢微观组织结构扫描电镜表征图。

图2是本发明超声波复合冲击处理后合成的金属纳米组织结构透射电镜表征图。

图3为实现本发明方法的装置的结构示意图。

图3中：1-超声波发生器，2-超声波信号线，3-超声波放大器，4-支架，5-超声波喷头，6-面板，7-钢球，8-处理仓，9-316L不锈钢圆棒试样，10-轴承。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

一种超快金属纳米材料制备方法，包括如下步骤：利用高频超声波信号(20KHz～10，000KHz)激发直径为1mm～5mm的钢球以高速(1m/s～50m/s)往复循环冲击金属材料表面；同时，金属材料(金属试样)以高速电机带动以100rmp到100,000rmp的速度高速旋转或者震动以实现复合运动组合。

实现上述方法的装置(即，超快金属纳米材料制备装置)，如图3所示，包括超声波发生器1、超声波信号线2、超声波放大器3、支架4、超声波喷头5、钢球7、处理仓8、高速电机；处理仓8的左右侧壁上分别设有轴承安装孔，超声波发生器1的输出端由超声波信号线2与超声波放大器3的输入端相连，超声波放大器3的输出端与超声波喷头5的输入端相连，超声波喷头5固定安装在支架4上；支架4的面板6上安装有(可放置，或由螺钉固定)处理仓8，超声波喷头5的输出口位于处理仓8内，处理仓8内放置有多个钢球(钢球数量为10～1000个；直径为1mm～5mm；多个钢球位于超声波喷头5的输出口处)，金属材料加工成圆棒(如：316L不锈钢圆棒试样9)，圆棒的两端部分别轴承10安装在处理仓8内(轴承10安装在轴承安装孔内)，圆棒位于超声波喷头5的输出口的上方；高速电机安装在处理仓8外壁或面板6上，高速电机的输出轴由联轴器与圆棒的一端相连，高速电机带动316L不锈钢圆棒试样(圆棒)旋转。

实施例1：

以金属材料316L不锈钢为例：首先，加工316L不锈钢圆棒试样，该316L不锈钢金属试样的微观组织结构如图1所示；其次利用高频超声波以及高速电机产生复合旋转冲击运动。实验中所使用的超声波信号频率为20KHz～10,000KHz，钢球直径为1mm～5mm，钢球数量为10～1000个；所述金属材料距高频超声波信号的输出口的高度为5～50mm。处理时间为10s～60s；实验中所采用的高速电机提供不锈钢圆棒试样的转速为100rpm～100,000rmp。316L不锈钢试样经过超声波复合旋转冲击后经过透射电镜分析，微观组织结构表征结果如图2所示，材料表征结果表明该发明技术能够在极短的时间内实现块体金属纳米材料的制备。

实施例2：

与实施例1基本相同，不同之处在于:金属材料为Ti6Al4V。试样经过超声波复合旋转冲击后经过透射电镜分析，微观组织结构表征结果表明该发明技术能够在极短的时间内实现块体金属纳米材料的制备。

本发明的方法也可以用于实现其他金属纳米材料，例如铝合金、镁合金、铜合金、钛合金以及高熵合金等金属材料的快速制备，在此不一一描述。

Claims (7)

1.一种超快金属纳米材料制备方法，其特征在于包括如下步骤：利用高频超声波信号激发钢球以1m/s～50m/s高速往复循环冲击金属材料表面；同时，金属材料由高速电机带动以100rmp～100000rmp的速度高速旋转或者震动。

2.根据权利要求1所述的一种超快金属纳米材料制备方法，其特征在于所述高频超声波信号为20KHz～10000KHz。

3.根据权利要求1所述的一种超快金属纳米材料制备方法，其特征在于所述钢球的直径为1mm～5mm。

4.根据权利要求1所述的一种超快金属纳米材料制备方法，其特征在于所述钢球数量为10～1000个。

5.根据权利要求1所述的一种超快金属纳米材料制备方法，其特征在于所述钢球、金属材料、高频超声波信号的输出口均位于处理仓内，处理仓安装在支架的面板上形成封闭式结构。

6.根据权利要求1所述的一种超快金属纳米材料制备方法，其特征在于所述金属材料距高频超声波信号的输出口的高度为5～50mm。

7.实现权利要求1所述的方法的装置，其特征在于包括超声波发生器(1)、超声波信号线(2)、超声波放大器(3)、支架(4)、超声波喷头(5)、钢球(7)、处理仓(8)、高速电机；处理仓(8)的左右侧壁上分别设有轴承安装孔，超声波发生器(1)的输出端由超声波信号线(2)与超声波放大器(3)的输入端相连，超声波放大器(3)的输出端与超声波喷头(5)的输入端相连，超声波喷头(5)固定安装在支架(4)上；支架(4)的面板(6)上安装有处理仓(8)，超声波喷头(5)的输出口位于处理仓(8)内，处理仓(8)内放置有多个钢球，金属材料加工成圆棒，圆棒的两端部分别轴承(10)安装在处理仓(8)内，圆棒位于超声波喷头(5)的输出口的上方；高速电机安装在处理仓(8)外壁或面板(6)上，高速电机的输出轴由联轴器与圆棒的一端相连。

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