CN1216159C - 气固双相流冲击金属材料表面纳米化装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种气固双相流冲击金属材料表面纳米化装置及其应用。该装置具有与进气管相连的高压气源、加热器、送粉器、超声速喷嘴，所述进气管穿过加热器与超声速喷嘴相连通，喷嘴侧面通过管路与送粉器相连通，进气管置于加热器中的部分为螺旋形结构；上述装置的应用是利用高压气体携带硬质颗粒，通过超声速喷嘴喷射，接连轰击金属材料表面使之纳米化，表面纳米化工艺参数如下：喷射距离5～50mm、气体压强0.5～5.0MPa、气体温度为室温～500℃、气体流量10～30g/s、硬质颗粒粒径为50纳米～500微米；本发明装置简单、成本低、生产效率高，其应用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。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面纳米化领域，具体地说是气固双相流高速冲击金属材料表面使之纳米化的装置及其应用。
背景技术
材料的失效大多发生在材料的表面，表面的结构性能直接影响材料的综合服役性能。金属材料表纳米化对提高金属部件的使用寿命非常重要。利用表面纳米化方法来改善金属材料的表面结构性能，特别是疲劳性能、腐蚀性能和摩擦磨损性能，可以提高金属材料的综合服役性能，延长材料的使用寿命。
金属材料表纳米化是近年开始的一个新领域，中国专利申请(申请号：99122670.4)《一种金属材料表面纳米层的制备方法》，是以超声波发生器的高频率振动(约20kHz)为动力，将硬质材料小球(直径小于15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，这是该技术在工程应用上受限制的关键问题。
中国专利申请《超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法》(申请号：01128225.8)，由于其在室温下对金属材料表面进行轰击，有时不能达到对材料表面的有效轰击速度，采用的装置是空气压缩机与送粉器相连，携带微粒经超音速喷嘴喷出，其结构复杂，微粒运行路程较长，增加了喷嘴喉部的磨损，从而影响了喷嘴寿命。
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气固双相流冲击金属材料表面均匀纳米化装置及其应用，该装置操作简单灵活，便于携带易于实现外场作业。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：
气固双相流冲击金属材料表面纳米化装置，具有与进气管相连的高压气源、加热器、送粉器、超声速喷嘴，所述进气管穿过加热器与超声速喷嘴相连通，喷嘴侧面通过管路与送粉器相连通，进气管置于加热器中的部分为螺旋形结构；
所述超声速喷嘴由收缩段、喉部和扩张段三部分构成，喷嘴的扩张段通过管路与送粉器相连通，与送粉器管道的连接处的喷嘴截面积S1与其喉部S0的关系为：
S1/S0≥1.3P0+0.8
式中：S1-与送粉器管道的连接处的喷嘴截面积；
S0-喷嘴喉部的面积；
P0-喷嘴进口处的气体压强，所述喷嘴进口处的气体压强P0为0.5～5MPa。
上述装置的应用是所述装置利用高压气体携带硬质颗粒，通过超声速喷嘴喷射，接连轰击金属材料表面使之纳米化，表面纳米化工艺参数如下：
喷射距离5～50mm、气体压强0.5～5.0MPa、气体温度为室温～500℃、气体流量10～30g/s、硬质颗粒粒径为50纳米～500微米；
所述喷射距离较好为15～50mm、气体压强较好为0.8～4.0MPa、气体温度较好为50～300℃、硬质颗粒粒径较好为50纳米～150微米；
所述气体为空气、氮气或氦气等，所述硬质颗粒为Al2O3、SiO2、BN、WC或钢球等。
其原理是：根据流体力学原理，利用高压气体产生的高速气流携带硬质颗粒，通过喷嘴将气固双相流加速到300～1200m/s，硬质颗粒通过射流以很高的动能接连轰击金属材料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。
与现有技术相比，本发明优点如下：
1.本发明装置完全改变了超声速微粒轰击金属材料表面纳米化方法的送粉方式，采用简单的吸入式送粉装置，配合特殊设计的喷嘴形式，避免了一般电机转动带动转鼓式送粉器易于磨损和对粉末流动性要求较高的问题，简化了设备的结构，使该设备更易于操作和便于携带。
2.本发明装置的送粉位置选择在喷嘴的扩张段，从而大幅度提高喷嘴的耐磨损性能，有效地延长了喷嘴的使用寿命。
3.本发明装置的进气管穿过加热器，经加热的气体携带颗粒，使颗粒在一定温度下轰击金属材料表面，纳米化效果好，表面纳米层均匀。
4.本发明装置的应用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、耐摩擦磨损性、应力下的耐蚀性)。
5.本发明可以对形状复杂或大平面的工件进行表面均匀纳米化处理。
6.本发明装置简单、能耗少，耗电量为2～12kW；另外，其成本低、生产效率高。
附图说明
图1为气固双相流冲击金属材料表面纳米化装置示意图。
图2为实施例1样品处理后的TEM明场像。
图3为实施例1样品处理后的TEM暗场像。
图4为实施例1样品处理后的TEM衍射环。
图5为实施例2样品处理后的TEM明场像。
图6为实施例2样品处理后的TEM暗场像。
图7为实施例2样品处理后的TEM衍射环。
图8为实施例3样品处理后的TEM明场像。
图9为实施例3样品处理后的TEM暗场像。
图10为实施例3样品处理后的TEM衍射环。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，气固双相流冲击金属材料表面纳米化装置具有与进气管1相连的高压气源、加热器2、送粉器4、超声速喷嘴3，所述进气管1穿过加热器2与超声速喷嘴3相连通，喷嘴3侧面通过管路与送粉器4相连通，进气管1置于加热器2中的部分为螺旋形结构；所述超声速喷嘴3由收缩段31、喉部32和扩张段33三部分构成，喷嘴的扩张段31通过管路与送粉器4相连通，与送粉器4管道的连接处的喷嘴截面积S1与其喉部S0的关系为：
S1/S0≥1.3P0+0.8
式中：S1-与送粉器管道的连接处的喷嘴截面积；
S0-喷嘴喉部的面积；
P0-喷嘴进口处的气体压强。
这种喷嘴结构可以避免喷嘴喉部的磨损，增加装置工作的稳定性，该设计保证了送粉器能在常压下进行送粉，即在粉末进入喷嘴处的截面积超过喉部一定值时，则该处的压强可以低于大气压强，保证了装置在常压下进行送粉。
所述装置利用高压气体携带硬质颗粒，通过超声速喷嘴喷射于接连轰击基体5表面使之纳米化，基体5材料为316L不锈钢试片，硬质微粉采用Al2O3(～150μm)，表面纳米化工艺参数如下：
喷射距离16mm、气体压强0.8MPa、气体温度50℃、气体流量11g/s，轰击时间15分钟，经透射电镜观察表面形成纳米相，见图2、3、4。
实施例2
与实施例1不同之处是：
表面纳米化装置如图1所示，基体材料为316L不锈钢试片，颗粒采用SiO2(～50nm)，表面纳米化工艺参数如下：
喷射距离50mm、气体压强4MPa、气体温度180℃、气体流量27g/s，轰击时间10分钟，经透射电镜观察表面形成纳米相，见图5、6、7。
实施例3
与实施例1不同之处是：
表面纳米化装置如图1所示，基体材料为20#钢试片，颗粒采用钢球(～20μm)，表面纳米化工艺参数如下：
喷射距离35mm、气体压强1.6MPa、气体温度300℃、气体流量19g/s，轰击时间12分钟，经透射电镜观察表面形成纳米相，见图8、9、10。
Claims (4)
1.一种气固双相流冲击金属材料表面纳米化装置，具有与进气管相连的高压气源、加热器、送粉器、超声速喷嘴，其特征在于：所述进气管(1)穿过加热器(2)与超声速喷嘴(3)相连通，喷嘴(3)侧面通过管路与送粉器(4)相连通，进气管(1)置于加热器(2)中的部分为螺旋形结构；
所述超声速喷嘴(3)由收缩段(31)、喉部(32)和扩张段(33)三部分构成，喷嘴的扩张段(33)通过管路与送粉器(4)相连通。
2.按照权利要求1所述的气固双相流冲击金属材料表面纳米化装置，其特征在于与送粉器(4)管道的连接处的喷嘴截面积S1与其喉部S0的关系为：
S1/S0≥1.3P0+0.8
式中：S1-与送粉器管道的连接处的喷嘴截面积；
S0-喷嘴喉部的面积；
P0-喷嘴进口处的气体压强，所述喷嘴进口处的气体压强P0为0.5～5MPa。
3.一种按照权利要求1所述的气固双相流冲击金属材料表面纳米化装置的应用，其特征在于：所述装置利用高压气体携带硬质颗粒，通过超声速喷嘴喷射，接连轰击金属材料表面使之纳米化，表面纳米化工艺参数如下：
喷射距离5～50mm、气体压强0.5～5.0MPa、气体温度为室温～500℃、气体流量10～30g/s、硬质颗粒粒径为50纳米～500微米；
所述气体为空气、氮气或氦气；
所述硬质颗粒为Al2O3、SiO2、BN、WC或钢球；
所述金属材料为不锈钢或碳钢。
4.按照权利要求3所述的气固双相流冲击金属材料表面纳米化装置的应用，其特征在于：所述喷射距离15～50mm、气体压强0.8～4.0MPa、气体温度为50～300℃、硬质颗粒粒径为50纳米～150微米。
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