CN113046532A

CN113046532A - 一种提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法

Info

Publication number: CN113046532A
Application number: CN202110262585.4A
Authority: CN
Inventors: 尹飞; 马盛途; 乐雄; 李鹏毅
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2041-03-10
Also published as: CN113046532B

Abstract

本发明涉及一种提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，包括S1、通过超声喷丸设备对待加工金属工件表面进行超声喷丸t₁时间；S2、在超声喷丸t₁时间后，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，施加的时间为t₂；S3、在喷丸结束后，对待加工金属工件表面的加工区再次进行电脉冲处理，消除喷丸后产生的缺陷。本发明在超声喷丸处理一段时间后再施加电脉冲的表面纳米化方法，通过调控时间参数t₁和t₂，可以在电脉冲效率最优时间区域施加电脉冲，能够减小后续喷丸阻力，在一定程度上提高纳米化的效率；通过调控循环次数n，可以显著提高纳米层的深度；也可以减少不必要的能源消耗，提高能源利用率。

Description

一种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，有许多研究人员正在研究对材料进行表面纳米化处理，表面纳米化是指利用各种物理或化学方法，将材料的表层晶粒细化至纳米量级，制备出具有纳米结构的表层，基体仍然保持原有的状态，借以改善和提高材料的表面性能的方法。现阶段，对于材料表面纳米化处理的方法主要有以下几种：超声喷丸技术，超音速微粒轰炸技术，表面机械碾磨，超声滚压技术等。

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，与传统的喷丸技术相似，也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，但相比于传统的喷丸方式，减少了能源和时间的消耗，提高了效率。在近几年，超声喷丸技术已经得到了广泛的应用。目前，超声喷丸技术也遇到了许多问题，对于一些难变形的金属，处理起来效果不明显，耗时，耗能，效率低，显然不能满足研究人员的要求。因此，如何提高对于难变形金属超声喷丸表面纳米化的效率及效果，就显得格外重要。

中国专利CN104531979A公开了一种电脉冲和超声耦合实现金属表面晶粒细化的工艺，包括步骤：通过两支电极导入脉冲电流至金属件的待处理表面进行电致塑性处理，同时选择该待处理表面内脉冲电流作用的中央区域作为超声冲击区域，利用超声冲击设备的高硬度冲击压头对该超声冲击区域的表面依次进行超声冲击处理。该工艺将电脉冲与超声冲击耦合共同作用于金属表面，处理过程中可以动态对金属表面进行适当软化和组织修复，克服了单纯超声冲击处理带来的严重表面加工硬化和宏观表面缺陷问题，使金属构件表面力学性能得到优化，使用安全性得到提高。但是，该工艺需要在处理过程中全程施加电流，经研究发现脉冲电流在材料纳米化的过程中并不能全程作用，在某些时刻脉冲电流作用不大甚至不起作用。由于在某些时刻电流对材料的影响不大，电流对于纳米化效率提高也不明显，所以该工艺会造成能源的浪费现象，不能使能源利用率达到最高。此外，该工艺以及超声滚压或超声点阵与脉冲电流相配合的方法，都需要利用进给装置来操纵工具头在工件上来回移动，工具头一次移动只能处理一点，处理时间长、效率低。

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存在对于某些难变形金属超声喷丸效果差、耗时、耗能的问题，提供一种提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，该方法可以避免全程施加电流，减少不必要的能源消耗，提高能源利用率。

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、通过超声喷丸设备对待加工金属工件表面进行超声喷丸t₁时间；

S2、在超声喷丸t₁时间后，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，施加的时间为t₂；

S3、在喷丸结束后，对待加工金属工件表面的加工区再次进行电脉冲处理，消除喷丸后产生的缺陷。

上述方案中，针对不同的材料，在加工前按照步骤S1-S3所述方法进行实验，通过调控t₁和t₂两个参数，找到使得喷丸效率较高的时间点；在对待加工金属工件表面进行加工时，将加工参数t₁和t₂调整为喷丸效率较高的时间点。

上述方案中，所述步骤S1与S2反复循环n次。

上述方案中，针对不同的材料，在加工前进行实验，通过调控参数n，找到使得喷丸效率较高的循环次数；在对待加工金属工件表面进行加工时，将加工参数n调整为喷丸效率较高的循环次数。

上述方案中，该方法采用的加工设备包括所述超声喷丸设备和脉冲电流发生器，还包括固定装置、刚性弹丸和支架；所述超声喷丸设备包括超声波发生器、超声换能器、变幅杆和超声喷头；所述固定装置为上下两端开口的环状结构，固定安装于所述支架上；待加工金属工件固定安装于所述固定装置上端，所述超声喷头固定安装于所述固定装置下端，超声喷头上半部分、固定装置和工件构成喷丸室；所述刚性弹丸置于所述超声喷头上，覆盖超声喷头表面；所述超声换能器位于超声喷头下方，通过所述变幅杆与超声喷头相连，所述超声波发生器通过线缆与超声换能器连接；所述脉冲电流发生器的正负极连在待加工金属工件的两端。

上述方案中，该方法采用的加工设备还包括空气压缩机，所述空气压缩机通过管道与所述超声换能器连接，用于冷却所述超声换能器。

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；超声喷丸时间t₁的范围：0.1s～10⁵s。

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t₂为1s～10⁵s，电脉冲施加次数：1次～50次。

上述方案中，所述刚性弹丸采用碳化钨弹丸，刚性喷丸的直径为0.1mm～10mm。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过先进行超声处理，在脉冲电流的作用较大时，停止超声处理，施加脉冲电流，利用电流的电致塑性和电愈合性，使喷丸后的缺陷愈合，提高材料塑性，使得后续喷丸更加容易；在脉冲电流的效果减弱时，停止施加电流，再次进行超声处理，此时的材料经过脉冲电流作用后，喷丸也比较容易，超声处理与脉冲电流处理可以反复进行。因此，本发明处理强度较高的金属也能得到较好的效果，喷丸与施加电流的时间都减少，节省了能源的消耗，提高了能源利用率，通过喷丸处理与电流处理反复进行，能使得纳米层厚度进一步加深，表面纳米化的效果更好。

2、本发明采用在超声喷丸处理一段时间后再施加电脉冲的表面纳米化方法，通过调控时间参数t₁和t₂，可以在电脉冲效率最优时间区域施加电脉冲，能够减小后续喷丸阻力，在一定程度上提高纳米化的效率；通过调控循环次数n，可以显著提高纳米层的深度；也可以减少不必要的能源消耗，提高能源利用率。

3、本发明采取超声喷丸与脉冲电流配合的加工设备，相比超声滚压或超声点阵的方法，本发明可以直接处理一部分区域，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，提出一种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，当电流通过电阻时，电流做功而消耗电能，产生了热量，温度升高，金属会软化，会使得超声喷丸变得相对容易；金属中的漂流电子在电场的作用下对位错产生了一种类似于外加应力的电子风力，影响着位错的运动，高密度脉冲电流提高金属内部原子的运动能量，改变金属内的位错激活能，加快位错的运动速度，打开位错之间的相互缠结，克服滑移系的障碍，从而提高金属的塑性。通过电流的电致塑性，使加工区塑性变形抗力适当减小，使得喷丸变得相对容易；且对材料施加电脉冲处理，可以愈合喷丸产生的缺陷，可实现基体组织的瞬间修复。

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、通过超声喷丸设备对待加工金属工件表面进行超声喷丸t₁时间。本实施例中，待加工金属工件采用钛合金板，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。

S2、在超声喷丸t₁时间后，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，施加的时间为t₂。

S3、在喷丸结束后，对待加工金属工件表面的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S1中，在对于难变形金属工件喷丸时，随着喷丸时间增加，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，导致后续喷丸阻力增大，喷丸效率下降，多次冲击出现裂纹等缺陷。因此，步骤S2中，在超声喷丸t₁时间后，施加脉冲电流到所述金属工件的加工区，施加的时间为t₂，借助脉冲电流的电致塑性效应和热效应使所述加工区表层的塑性变形抗力适当减小，晶粒细化，纳米层厚度进一步加深；且脉冲电流可以修复微观组织缺陷，愈合裂纹缺陷，使得基体组织瞬间修复，使得后续喷丸效率得到提高。

针对不同的材料，在加工前按照步骤S1-S3方法进行实验，通过调控t₁和t₂两个参数，可以找到使得喷丸效率较高(即喷丸时间短且纳米化程度比较好)的时间点；在对待加工金属工件表面进行加工时，将加工参数t₁和t₂调整为喷丸效率较高的时间点，可以显著提高喷丸效率。与全程施加脉冲电流的方法相比，可以通过调控t₁和t₂两个参数，找到最合适施加脉冲电流的时刻，合适施加电脉冲时间及次数，使得电流对于纳米化效率提高最明显，这样可以避免全程施加电流，减少不必要的能源消耗，提高能源利用率。

步骤S3中，在超声喷丸结束后，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，运用电脉冲可以修复材料微观组织缺陷的性质，使得裂纹等缺陷愈合，微观结构变得更加稳定均匀，从而有效提高金属工件的强度和服役寿命。

进一步优化，步骤S1与S2可以反复循环n次，通过多次循环，还可能使材料出现超塑性，更有利于喷丸处理。针对不同的材料，在加工前进行实验，通过调控参数t₁和t₂及反复循环的次数n来实现效率最大化，能源利用率也得到提高。对于不同的材料，t₁和t₂参数及循环次数n都略有差别，但都存在最优范围，通过选择合适的参数可显著提高效率及能源利用率。

进一步优化，超声波处理的频率：20KHz～10000KHz；超声波振幅：1um～1000um；超声波工作距离(即超声喷头与待加工金属工件的距离)：1mm～100mm；超声喷丸时间t₁的范围：0.1s～10⁵s。

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t₂为1s～10⁵s，电脉冲施加次数(即循环次数n)：1次～50次。

进一步优化，对于强度比较高的工件，刚性弹丸采用小而重、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。

在喷丸同时施加电脉冲，不能保证电脉冲的效率，原因在于在喷丸刚开始阶段及某些时刻电脉冲的效果并不明显，可能会导致能源的浪费。本发明采用了超声喷丸处理一段时间后再施加电脉冲的表面纳米化方法，通过调控时间参数，可以在电脉冲效率最优区域施加电脉冲，能够减小后续喷丸阻力，在一定程度上提高纳米化的效率；通过调控循环次数，可以显著提高纳米层的深度；也可以减少不必要的能源消耗，提高能源利用率。

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

1.一种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：

2.根据权利要求1所述的提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，其特征在于，针对不同的材料，在加工前按照步骤S1-S3所述方法进行实验，通过调控t₁和t₂两个参数，找到使得喷丸效率较高的时间点；在对待加工金属工件表面进行加工时，将加工参数t₁和t₂调整为喷丸效率较高的时间点。

3.根据权利要求2所述的提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，其特征在于，所述步骤S1与S2反复循环n次。

4.根据权利要求3所述的提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，其特征在于，针对不同的材料，在加工前进行实验，通过调控参数n，找到使得喷丸效率较高的循环次数；在对待加工金属工件表面进行加工时，将加工参数n调整为喷丸效率较高的循环次数。

5.根据权利要求1所述的提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，其特征在于，该方法采用的加工设备包括所述超声喷丸设备和脉冲电流发生器，还包括固定装置、刚性弹丸和支架；所述超声喷丸设备包括超声波发生器、超声换能器、变幅杆和超声喷头；所述固定装置为上下两端开口的环状结构，固定安装于所述支架上；待加工金属工件固定安装于所述固定装置上端，所述超声喷头固定安装于所述固定装置下端，超声喷头上半部分、固定装置和工件构成喷丸室；所述刚性弹丸置于所述超声喷头上，覆盖超声喷头表面；所述超声换能器位于超声喷头下方，通过所述变幅杆与超声喷头相连，所述超声波发生器通过线缆与超声换能器连接；所述脉冲电流发生器的正负极连在待加工金属工件的两端。

6.根据权利要求5所述的提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，其特征在于，该方法采用的加工设备还包括空气压缩机，所述空气压缩机通过管道与所述超声换能器连接，用于冷却所述超声换能器。

7.根据权利要求1所述的提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，其特征在于，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；超声喷丸时间t₁的范围：0.1s～10⁵s。

8.根据权利要求1所述的提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，其特征在于，电脉冲的强度范围：0.06A/cm²～2.14×10⁴A/cm²，电脉冲的施加时间t₂为1s～10⁵s，电脉冲施加次数：1次～50次。

9.根据权利要求1所述的提高难变形金属材料表面纳米化效率的方法，其特征在于，所述刚性弹丸采用碳化钨弹丸，刚性喷丸的直径为0.1mm～10mm。