CN113046531B - 一种原位电脉冲提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原位电脉冲提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，包括S1、安装加工设备；S2、通过超声喷丸设备对待加工金属工件表面进行超声喷丸；与此同时，通过脉冲电流发生器对待加工金属工件表面的加工区施加脉冲电流，通过脉冲电流的电致塑性效应和热效应使加工区表层的塑性变形抗力适当减小，纳米层厚度进一步加深；S3、在喷丸结束后，对金属加工区再次进行电脉冲处理，消除一些喷丸后产生的缺陷，改善材料内部的微观结构。本发明在超声波喷丸的同时对材料施加脉冲电流，提高表面纳米化的效率及纳米层的厚度，在超声喷丸之后再次施加脉冲电流，使得裂纹愈合，提高材料的疲劳寿命。

Description

一种原位电脉冲提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法

技术领域

本发明涉及材料表面纳米化处理技术领域，具体涉及一种原位电脉冲提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法。

背景技术

现如今，纳米结构材料由于其超高的性能特点受到国内外的广泛关注，有许多学者正专注于对它的研究。其中，超声波喷丸技术作为一种比较常用的对材料进行表面纳米化的方法，该技术主要是通过弹丸对材料进行反复冲击，来实现材料的表面纳米化，实现材料性能的提高。

在近几年，超声波喷丸技术已经得到了广泛的应用，虽然超声喷丸技术相比于传统的喷丸技术具有耗能少，处理时间短等优势，但是仍不理想，重复击打可能会造成过量加工硬化，在加工表面的某些点会产生应力集中，从而促进裂纹的生成，更为关键的一点是，超声喷丸技术对于一些高强度的金属处理后，效果并不明显，想要达到相同的效果，可能会付出更多的时间与能量，甚至可能会出现喷不动的现象。强度越高的金属，冲击的次数和时间就越长，击打次数的增多，可能会导致过量加工硬化，材料表面某些点出现应力集中，从而促进裂纹的生成，影响材料的疲劳寿命。因此，如何提高超声喷丸表面纳米化的效率及效果，同时避免裂纹的产生，消除超声喷丸后的缺陷，都显得尤为重要。

中国专利CN107119183B公开了一种高强高硬金属材料表面梯度纳米结构的制备方法，包括S1：高强高硬金属材料安装在工作台(10)上，工具头(11)和工件(9)分别与高瞬时能量密度脉冲电源的正极和负极相连接，并将工具头通过螺纹连接在超声换能器(12)输出端；S2：工作时，工具头(11)在超声发生器(2)的作用下沿Z轴做超声振动，开始对工件表面进行高瞬时能量密度电脉冲和超声波复合处理，喷嘴(8)不断向工具头(11)与工件(9)接触点处喷射冷却液；与此同时，工件(9)在工作台(10)的带动下在X轴运动，工具头(11)和工件(9)产生相对位移；S3：工具头(11)移动至材料处理边界位置后，工作台(10)沿Y轴步进一定距离重复步骤2直至全部处理结束。该工艺通过电脉冲形成的瞬时高温和超声波微观机械冲击复合作用可使高强高硬金属材料处理点处的局部微塑性大大增加，使处理点处产生强烈的塑性变形，从而对工件表面进行有效的纳米化。但是该方法采用工具头对工件表面进行处理，一次移动只能处理一点，效率低；此外，还需要设置驱动装置先后驱动工作台(10)相对工具头(11)沿X轴和Y轴运动，结构复杂、操作困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术对于某些难变形金属纳米化处理时存在耗时、耗能、操作困难的不足，提供一种原位电脉冲提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，该方法通过在超声喷丸过程中施加脉冲电流，使得表面纳米化的效率得以提高；并在超声喷丸结束后再次施加脉冲电流，来消除超声喷丸过程中出现的裂纹缺陷。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种原位电脉冲提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，包括以下步骤：

S1、将固定装置安装于支架上，固定装置为上下两端开口的环状结构，将待加工金属工件固定安装于所述固定装置上端，将超声喷头固定安装于固定装置下端，超声喷头上半部分、固定装置和待加工金属工件构成喷丸室，将刚性弹丸置于超声喷头上，覆盖超声喷头表面；在超声喷头下方依次安装变幅杆和超声换能器，然后将超声换能器通过线缆与超声波发生器连接起来；最后将脉冲电流发生器的正负极连在待加工金属工件的两端；

S2、通过超声喷丸设备对待加工金属工件表面进行超声喷丸；与此同时，通过脉冲电流发生器对待加工金属工件表面的加工区施加脉冲电流，通过脉冲电流的电致塑性效应和热效应使加工区表层的塑性变形抗力适当减小，纳米层厚度进一步加深；

S3、在喷丸结束后，对金属加工区再次进行电脉冲处理，消除一些喷丸后产生的缺陷，改善材料内部的微观结构。

上述方案中，步骤S1中，将超声换能器通过管道与空气压缩机连接，通过空气压缩机冷却超声换能器。

上述方案中，超声波处理的频率：20KHz～10000KHz；超声波振幅：1um～1000um；超声喷头与待加工金属工件的距离：1mm～100mm；超声喷丸处理的时间：0.1s～10⁶s。

上述方案中，电脉冲的强度范围：0.06A/cm²～2.14×10⁴A/cm²，电脉冲的施加时间：1s～10⁶s。

上述方案中，所述刚性弹丸(10)采用碳化钨弹丸，直径为0.1mm～10mm。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提出了在超声波喷丸的同时对材料施加脉冲电流的方法，在表面纳米化后，再进行电脉冲处理。通过本发明，超声能场与脉冲电流场共同作用，可以避免某些高强度金属不易被纳米化的现象，来提高表面纳米化的效率及纳米层的厚度，节约时间并减少了能源的消耗，降低了生产成本。在超声喷丸之后，难免会出现裂纹等缺陷，再次施加脉冲电流，通过电流的效应，使得裂纹愈合，避免裂纹扩展，提高材料的疲劳寿命。

2、本发明采取超声喷丸与脉冲电流配合的加工设备，可以直接处理一部分区域，相比超声滚压或超声点阵的方法，本发明在同时处理一样的区域时，本发明处理时间更短，效率更高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明方法所采用的加工设备的整体结构图；

图2是图1所示加工设备的局部结构图；

图3是图1所示加工设备的超声喷头与喷丸室内部结构示意图；

图中：1、脉冲电流发生器；2、超声波发生器；3、超声换能器；4、变幅杆；5、超声喷头；6、工件；7、固定装置；8、支架；9、空气压缩机；10、刚性弹丸。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明为了克服对于某些难变形金属超声喷丸效果差、耗时、耗能的问题，同时对材料经过表面纳米化后出现的某些缺陷进行消除，提出一种原位电脉冲提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，通过在超声喷丸过程中施加脉冲电流，利用脉冲电流对材料内部的原子、电子及晶体缺陷等产生的电刺激作用，进一步降低材料总的界面自由能，使晶粒进一步细化，使晶粒细化层在超声喷丸作用下向表层内部更深处扩展，使加工区塑性变形抗力适当减小，使得表面纳米化的效率得以提高；在超声喷丸结束后再次施加脉冲电流，来消除超声喷丸过程中出现的裂纹缺陷。

如图1-3所示，本发明方法采用的加工设备包括超声喷丸设备、脉冲电流发生器1、固定装置7、刚性弹丸10和支架8。超声喷丸设备包括超声波发生器2、超声换能器3、变幅杆4和超声喷头5。固定装置为上下两端开口的环状结构，固定安装于支架上。待加工金属工件6固定安装于固定装置上端，超声喷头固定安装于固定装置下端，超声喷头上半部分、固定装置和工件构成喷丸室。刚性弹丸置于超声喷头上，覆盖超声喷头表面。超声换能器位于超声喷头下方，通过变幅杆与超声喷头相连，超声波发生器通过线缆与超声换能器连接。脉冲电流发生器的正负极连在待加工金属工件的两端。超声波发生器的作用是把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作，超声波换能器将高频电能转换成机械振动，变幅杆可以放大机械振动的振幅，超声喷头通过机械振动驱动刚性弹丸撞击工件表面。加工设备还包括空气压缩机9，空气压缩机通过管道与超声换能器连接，向装置通气，起到冷却超声换能器的作用，避免高温损坏超声设备。脉冲电流发生器提供实验所需的电流。

本发明方法具体包括以下步骤：

S1、将固定装置7安装于支架8上，固定装置为上下两端开口的环状结构，将待加工金属工件6固定安装于所述固定装置上端，将超声喷头5固定安装于固定装置下端，超声喷头上半部分、固定装置和待加工金属工件构成喷丸室，将刚性弹丸10置于超声喷头上，覆盖超声喷头表面；在超声喷头下方依次安装变幅杆4和超声换能器3，然后将超声换能器3通过线缆与超声波发生器2连接起来；最后将脉冲电流发生器1的正负极连在待加工金属工件的两端；

S2、通过超声喷丸设备对待加工金属工件表面进行超声喷丸，本实施例中，待加工金属工件为M50钢板，以直径为3mm的碳化钨弹丸撞击金属材料的表面，平均单个弹丸顺势撞击材料表面的能量为10^-4～10³J，利用超声喷头给予弹丸速度，当弹丸与工件撞击后，弹丸会由于重力的原因回落到超声喷头，超声喷头则会在此给予弹丸速度，如此反复，实现弹丸对工件材料的多次撞击。喷丸使得加工表层产生剧烈的塑性变形，导致位错密度增大，晶粒细化，形成强化层。与此同时，通过脉冲电流发生器对待加工金属工件表面的加工区施加脉冲电流，通过脉冲电流的电致塑性效应和热效应使加工区表层的塑性变形抗力适当减小，纳米层厚度进一步加深。

S3、在喷丸结束后，对金属加工区再次进行电脉冲处理，消除一些喷丸后产生的裂纹等缺陷，改善材料内部的微观结构。

步骤S2中，在对于高强度金属工件喷丸时，比较困难，施加脉冲电流后，不仅可以减小金属的塑性变形抗力，使得喷丸阻力减小；进而使得晶粒进一步细化，使得纳米层向更深处扩展，强化层深度进一步加深。通过合理选择脉冲电流的参数，还可以使金属材料的加工表层形成良好的梯度纳米结构，使材料具备更加良好的性能。

步骤S3中，在超声喷丸的过程中，不可避免的会造成一些裂纹的缺陷，如果不加以处理，可能材料在后续操作过程中，会造成裂纹扩展，导致材料疲劳性能的下降。因此，在喷丸结束后，对材料再次施加脉冲电流的处理，利用电流的电子风效应，加速位错的运动和迁移，减少金属工件加工区的局部应力集中；同时利用电流的局部焦耳热效应，使微裂纹或孔洞附近产生大幅度温升以及热压应力，促使微观缺陷愈合，从而有效地提升金属工件的强度和服役寿命。

进一步优化，超声波处理的频率：20KHz～10000KHz；超声波振幅：1um～1000um；超声喷头与待加工金属工件的距离：1mm～100mm；超声喷丸处理的时间：0.1s～10⁶s。

进一步优化，电脉冲的强度范围：0.06A/cm²～2.14×10⁴A/cm²，电脉冲的施加时间：1s～10⁶s。

进一步优化，对于强度比较高的工件，刚性弹丸10采用小而重、能量密度高的碳化钨弹丸，刚性弹丸直径为0.1mm～10mm。

进一步优化，本发明方法适用的材料范围：轴承钢M50，GCr15，钛合金，不锈钢，高强钢，镍基高温合金等难成形金属材料。

在本发明中，提出了在超声波喷丸的同时对材料施加脉冲电流的方法，在表面纳米化后，再进行电脉冲处理。通过本发明，超声能场与脉冲电流场共同作用，可以避免某些高强度金属不易被纳米化的现象，来提高表面纳米化的效率及纳米层的厚度，节约时间并减少了能源的消耗，降低了生产成本；在纳米化后再进行电脉冲处理，利用脉冲电流的电愈合性消除裂纹等缺陷，使材料表面光滑。

此外，本发明采取超声喷丸与脉冲电流配合的加工设备，可以直接处理一部分区域，相比超声滚压或超声点阵的方法，本发明在同时处理一样的区域时，本发明处理时间更短，效率更高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种原位电脉冲提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将固定装置(7)安装于支架(8)上，固定装置为上下两端开口的环状结构，将待加工金属工件(6)固定安装于所述固定装置上端，将超声喷头(5)固定安装于固定装置下端，超声喷头上半部分、固定装置和待加工金属工件构成喷丸室，将刚性弹丸(10)置于超声喷头上，覆盖超声喷头表面；在超声喷头下方依次安装变幅杆(4)和超声换能器(3)，然后将超声换能器通过线缆与超声波发生器(2)连接起来；最后将脉冲电流发生器(1)的正负极连在待加工金属工件的两端；

S2、通过超声喷丸设备对待加工金属工件表面进行超声喷丸；与此同时，通过脉冲电流发生器对待加工金属工件表面的加工区施加脉冲电流，通过脉冲电流的电致塑性效应和热效应使加工区表层的塑性变形抗力适当减小，纳米层厚度进一步加深；超声波处理的频率：20KHz～10000KHz；超声波振幅：1um～1000um；超声喷头与待加工金属工件的距离：1mm～100mm；超声喷丸处理的时间：0.1s～10⁶s；电脉冲的强度范围：0.06A/cm²～2.14×10⁴A/cm²，电脉冲的施加时间：1s～10⁶s；

S3、在喷丸结束后，对金属加工区再次进行电脉冲处理，消除一些喷丸后产生的缺陷，改善材料内部的微观结构。

2.根据权利要求1所述的原位电脉冲提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，其特征在于，步骤S1中，将超声换能器(3)通过管道与空气压缩机(9)连接，通过空气压缩机冷却超声换能器。

3.根据权利要求1所述的原位电脉冲提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，其特征在于，所述刚性弹丸(10)采用碳化钨弹丸，直径为0.1mm～10mm。

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