CN1180095C - 超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料表面纳米化领域，具体地说是超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法。本发明利用压缩气体携带硬质微粒，通过超音速喷嘴高速运动轰击金属材料表面，具体为：1)基体前处理：常规的表面抛光，丙酮、酒精清洗；2)表面纳米化：采用压缩气体携带硬质微粒接连轰击金属表面，表面纳米化工艺参数如下：喷射距离5～50mm、气体压力0.4～3.0MPa、气体温度为室温、气体流量10～30g/s、送粉电压5～30V，硬质微粒粒径为50纳米～200微米。本发明可以对形状复杂或大平面的工件进行表面纳米化处理，且纳米层分布均匀，处理后的纳米层厚度可达0.5-50微米；另外，本发明装置简单、成本低、生产效率高。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面纳米化领域，具体地说是超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法。
背景技术
金属材料表纳米化是近年开始的一个新领域，材料科学技术(J.Mater.Sci.Technol.)杂志，1999年第15卷第3期193页，发表的论文中介绍了“超声喷丸”的方法，其实质内容是以超声波发生器的高频率振动(～20kHz)为动力，将硬质材料小球(直径约2毫米)碰撞金属试样的表面使之纳米化，其不足之处是：该技术对形状复杂的金属部件与大平面金属设备无法进行表面纳米化处理，这是该技术工程应用受限制的关键问题。
法国专利申请(申请号：2689431)或俄罗斯专利申请(申请号：1391135)，提供一种在预定的时间里利用超声波使金属零件产生强化的方法，它能在封闭的空间中通过超声波发生器的中间体实现弹丸的运动。根据法国专利证申请的方法，可通过调节弹丸的速度使金属零件取得确定的表面粗糙度和确定深度的硬化层，为了获得理想的处理效果，发射系统移动的速度应满足一个确定值，低于这个值材料的表面可实现冷作硬化，高于这个值进行处理则效果不均匀，这就是说，不论材料表面的哪个点都不能被重复喷射，只能喷射一次。其不足之处在于：难以在材料上获得一定深度的纳米结构，例如从几到几十微米深度的纳米结构表层；而且不适用于形状复杂或大平面金属材料表面纳米化。
另外，超声速喷涂工艺是利用压缩空气作载带气体，压缩空气经由Laval喷嘴获得超声速，但超声速喷涂的目的在制备不同于基体金属材料的其他金属或合金涂层，即将与基体金属性质不同的其他金属材料或合金喷涂于基体表面上形成涂层，而利用超声速喷气，使金属材料自身表面纳米化，未见相关报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以使形状复杂或大平面金属材料表面纳米化的超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：采用压缩气体携带硬质微粒，通过超声速喷嘴喷射于金属材料表面，具体步骤如下：
1.基体前处理：常规的表面抛光，丙酮、酒精清洗；
2.表面纳米化：采用压缩气体携带硬质微粒接连轰击金属表面，其工艺参数如下：
喷射距离5～50mm、气体压力0.4～3.0MPa、气体温度为室温、气体流量10～30g/s、送粉电压5～30V，硬质微粒粒径为50纳米～200微米；
所述金属材料为不锈钢或碳钢，所述压缩气体为空气或氮气，所述硬质微粒为α-Al2O3、SiO2、BN、WC之一。
本发明原理是：利用压缩气体携带硬质微粒，通过超音速喷嘴高速运动轰击金属材料表面，其中气体加速到300～1200m/s，硬质微粒以很高的动能接连轰击金属表面引起表面严重塑性变形产生大量位错、孪晶或亚晶结构导致晶粒细化，最终形成纳米晶。
本发明优点如下：
1.本发明可有效地降低金属零件表面上的晶粒尺寸，在整个金属零件的表面上形成一层与基体材料化学成分完全相同的、晶粒尺寸为二十纳米左右的显微组织，材料表面纳米结构的厚度范围为0.5～50微米，其具有纳米结构特征的表层，足以保证金属零件能获得力求达到的特性，例如希望的机械性能(疲劳、耐磨擦损性、应力下的耐蚀性)。
2.本发明可以对形状复杂或大平面的工件进行表面纳米化处理，且纳米层分布均匀。
3.本发明操作简单、能耗少、成本低、生产效率高，表面纳米化速率为1-10cm2/min。
附图说明
图1为本发明实施例1所用装置结构示意图。
图2为图1中送粉器结构放大图。
图3为图1中超音速喷嘴结构放大图。
图4为本发明实施例2所用装置结构示意图。
具体实施方式：
实施例1
基体材料316L不锈钢管，硬质微粒采用α-Al2O3(50μm左右)，具体步骤如下：
1.基体前处理：采用常规方法表面抛光、丙酮、酒精清洗；
2.表面纳米化：喷射距离15mm、气体压力1.75MPa、气体流量为20g/s、送粉电压15V，气体温度室温、轰击时间6分钟，经X-射线衍射、原子力显微镜测试，基体表面晶粒尺寸由平均18微米细化到平均14纳米；
采用如图1、2、3所示装置，由超音速喷嘴6、送粉器3、工作室4、微粒回收装置5、控制器2组成，其中，超音速喷嘴6安装在工作室4入口处，控制器2与带有储气罐11的空气压缩机1管路连接，并通过送粉开关22、压力调节开关21分别与送粉器3、超音速喷嘴6相连，工作室4出口加设微粒回收装置5；所述超音速喷嘴6通过管道与送粉器3连接，由收缩段61、喉部62、扩张段63三部分构成，所述收缩段61为亚音速段，为维托辛基曲线形光滑连续收缩结构，与喉部62过渡连接，所述扩散段63为超音速段轴对称位流式结构，与喉部62过渡连接，它包括初始膨胀段631和消波段632，初始膨胀段631为光滑连续过渡结构，其间为泉流区，消波段632为平行于轴线的轴对称结构，其间为均匀区，所述收缩段61与混合室64相连，其混合室64通过安装在其上的过渡管件与送粉器3相连接；所述送粉器3由具有密封盖32的装粉室31、压缩空气入气口A、B(33、33′)、安装在装粉室31下方的转鼓34、微粒出口35构成，所述装粉室31壁上设有两个独立的压缩空气入气口A、B(33、33′)，一个在装粉室31上方，一个在转鼓34下方，分别经控制器2与储气罐11相连，再至空气压缩机1，装粉室31壁上另设一与超音速喷嘴6管路连接的微粒出口35，转鼓34上所设的沟槽与转鼓34和壁之间的间隙构成压缩空气入气口B(33′)至微粒出口35之间的通道；所述控制器(2)通过其上的压力表(24)分别与所述送粉器(3)、超音速喷嘴(6)相连，通过电压表(23)与送粉器(3)连接。
其工作过程如下：
以压缩空气或氮气为动力源，由控制器2控制，通过管道使压缩气体送进送粉器3，微粒被加热的气体携带进入超音速喷嘴6，超音速喷嘴6实现喷涂过程中给微粒加速，通过高速运动到达基体表面，微粒粒子高速运动轰击基体表面，在工作室4中对基材进行轰击，硬质微粒以很高的动能接连轰击金属表面引起表面严重塑性变形产生大量位错、孪晶或亚晶结构导致晶粒细化，最终形成纳米晶，处理后的纳米层厚度可达0.5-50微米；多余的微粒通过微粒回收装置5回收利用，整个过程由控制器2控制完成。
其超音速喷嘴的设计原理由流体力学公式给出，对一维定常流动，考虑可压缩流体，则有：
v2/2+K/K-1·P/ρ＝常 (1)
ρ·v·S＝常 (2)
P/ρk＝常 (3)
由上面三个公式，可求得：
ds/s＝(M2-1)dv/v (4)
式中：S管道截面积；M＝v/v声(马赫数)；ρ气体密度；K气体常数；P气体压力；v气体流速。由公式(4)可知，当v＞v声，则dv符号与ds符号相同。即：随管道截面积变大(ds为正值)，流体速度增大。当v＜v声则dv符号与ds符号相反，即：随管道截面积变小(ds为负值)，流体速度亦增大。因此，经过足够收缩，流体速度可在管道喉部截面处达到声速，经过此截面后，将获得超音速。
实施例2
与实施例1不同处在于：
基体材料为碳钢试片，硬质微粒采用WC(～50μm)，具体步骤如下：
1.基体前处理：表面抛光，丙酮、酒精清洗；
2.表面纳米化：喷射距离15mm、气体压力2MPa、气体温度室温、轰击时间2分钟，气体流量为25g/s，送粉电压16V，经X-射线衍射、原子力显微镜测试，表面晶粒尺寸由平均12微米细化到平均20纳米；
采用如图4所示装置，该装置为俄罗斯专利，专利号分别为1674585(1991)、1603581(1993)、1618778(1993)、1773072(1993)、2010619(1994)；其中送粉器3与超音速喷嘴6连为一体，采用电机带动转鼓，通过转鼓34推动微粒进入气体微粒混合室，在送粉器的下端有一个压缩气体入口，并通过两个出口分别将气体导入送粉器。
本发明亦可采用SiO2、BN为硬质微粒，对其它金属材料表面进行超声速微粒轰击。
Claims (3)
1.一种超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法，其特征在于：是采用压缩气体携带硬质微粒，通过超声速喷嘴喷射于金属材料表面，具体步骤如下：
1)基体前处理：常规的表面抛光，丙酮、酒精清洗；
2)表面纳米化：采用压缩气体携带硬质微粒接连轰击金属表面，表面纳米化工艺参数如下：
喷射距离5～50mm、气体压力0.4～3.0MPa、气体温度为室温、气体流量10～30g/s、送粉电压5～30V，硬质微粒粒径为50纳米～200微米；
所述金属材料为不锈钢或碳钢。
2.按照权利要求1所述超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法，其特征在于：压缩气体为空气或氮气。
3.按照权利要求1或2所述超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法，其特征在于：所述硬质微粒为α-Al2O3、SiO2、BN、WC之一。
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2002
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| CN1696353B (zh) * | 2005-05-16 | 2010-05-12 | 山东科技大学 | 一种金属材料表面纳米化方法 |
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