本發(fā)明涉及表面工程技術(shù)與激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在金屬工件表層形成梯度納米結(jié)構(gòu)的組合方法。

背景技術(shù)：

納米金屬材料具有強(qiáng)度和硬度高、物理性能、磨損性能和熱加工性能好等優(yōu)勢(shì)。在不改變材料化學(xué)成分的前提下，結(jié)構(gòu)納米化可使材料強(qiáng)度和硬度提高數(shù)倍或數(shù)十倍。2016年美國(guó)軍方公布的《2016-2045新科技趨勢(shì)報(bào)告》提出了20項(xiàng)最值得關(guān)注的科學(xué)技術(shù)，先進(jìn)材料尤其納米材料制備與性能研究位居其中。伴隨著強(qiáng)度和硬度的顯著提高，納米結(jié)構(gòu)材料的塑性和韌性明顯降低、加工硬化能力消失、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，上述不足制約了納米結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用和發(fā)展。隨著工程結(jié)構(gòu)向高強(qiáng)度和輕量化的發(fā)展，傳統(tǒng)的均一材料，比如粗晶材料和納米晶材料，都已無(wú)法滿足工程結(jié)構(gòu)件在極端服役環(huán)境下的性能要求。中科院金屬研究所盧柯院士的研究表明：金屬材料的強(qiáng)度增加是以犧牲粗晶或者納米晶的塑性為代價(jià)，納米晶–粗晶混合材料的強(qiáng)度–塑性綜合性能不高。但梯度納米材料表現(xiàn)出優(yōu)良的強(qiáng)度/塑性綜合性能。顯然，基于塑性變形構(gòu)筑的梯度納米結(jié)構(gòu)鎂合金，具有細(xì)晶與粗晶的綜合特征，能有效克服納米結(jié)構(gòu)低塑性和低韌性的缺陷，明顯提升金屬材料的強(qiáng)度、耐磨性以及熱穩(wěn)定性，最大程度上提升了金屬材料的綜合性能。

激光沖擊強(qiáng)化(lasershockpeening,lsp)是一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，主要是采用短脈沖(幾十納秒)、高峰值功率密度(>10⁹w/cm²)的激光輻照在金屬表面，激光束通過(guò)約束層之后被吸收層吸收，吸收層從而獲得能量形成爆炸性氣化蒸發(fā)，產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，由于外層約束層的約束，等離子體形成高壓沖擊波從而向材料內(nèi)部傳播，利用沖擊波的力效應(yīng)在材料表層發(fā)生塑性變形，使得表層材料微觀組織發(fā)生變化，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果，甚至可以在熔點(diǎn)較低的金屬材料(如鎂合金、黃銅等)表層生成梯度納米結(jié)構(gòu)。且殘余應(yīng)力層深度可達(dá)1～2mm(是機(jī)械噴丸的5～10倍)，提高材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐應(yīng)力腐蝕性能。但是，由于吸收層的存在，激光不會(huì)燒蝕材料表面，也不會(huì)在材料表面產(chǎn)生高溫，因此激光沖擊強(qiáng)化只是利用了激光束的力效應(yīng)，而沒(méi)有熱效應(yīng)，屬于冷加工。對(duì)于熔點(diǎn)較高的金屬材料(如鈦合金等)，其再結(jié)晶溫度會(huì)相對(duì)較高，只在金屬表層生成梯度亞微米結(jié)構(gòu)。

表面機(jī)械研磨處理(smat)是一種最為行之有效的金屬表層梯度納米結(jié)構(gòu)合成工藝。主要是通過(guò)彈丸在振動(dòng)發(fā)生器作用下飛行并對(duì)金屬表面進(jìn)行高應(yīng)變速率、方向隨機(jī)、應(yīng)變累計(jì)的塑性變形，表層應(yīng)變量及應(yīng)變速率隨深度增大呈梯度減小，累計(jì)應(yīng)變量隨壓入次數(shù)增多而增大，被撞擊的表面產(chǎn)生塑性變形并形成由表及里尺寸變化的梯度納米結(jié)構(gòu)。由于彈丸對(duì)金屬材料直接多方向沖擊，彈丸與金屬材料之間有微小的相對(duì)摩擦，產(chǎn)生熱量，使得金屬表層溫度升高，可在熔點(diǎn)較高的金屬材料(如鈦合金等)表層生成梯度納米結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種在金屬工件表層形成梯度納米結(jié)構(gòu)的組合方法。即先采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)誘導(dǎo)較深厚度的塑性變形層，然后采用表面機(jī)械研磨處理使金屬工件表面納米化，最終獲得理想層厚和優(yōu)化微結(jié)構(gòu)分布的金屬工件表層梯度納米結(jié)構(gòu)。

所述金屬工件材料為鋁合金、鈦合金、鎂合金、不銹鋼、鎳基高溫合金等應(yīng)用于航空航天、汽車輪船、化工等行業(yè)的關(guān)鍵重要部件的金屬材料。

所述激光沖擊強(qiáng)化處理過(guò)程為：先將金屬工件待處理表面依次用500#，800#，1000#，1200#，1600#，2000#和2500#的砂紙進(jìn)行打磨并拋光，然后用去離子水進(jìn)行超聲清洗；確定與金屬工件材料相關(guān)的激光沖擊工藝脈寬、脈沖能量、頻率、光斑直徑及沖擊層數(shù)，在金屬工件待處理表面貼上吸收層，再對(duì)金屬工件的待沖擊區(qū)域進(jìn)行大面積激光搭接沖擊強(qiáng)化處理。

所述激光沖擊強(qiáng)化處理過(guò)程中，所述脈寬為8～30ns，所述脈沖能量為2～15j，所述頻率為1hz，所述光斑直徑為2～3mm，所述光斑的橫向和縱向搭接率為50％，所述沖擊層數(shù)為1～3層，所述吸收層為美國(guó)3m公司生產(chǎn)的激光沖擊強(qiáng)化專用鋁箔，所述約束層為去離子水水流形成的1～2mm的水膜，所述脈沖的峰值壓力為p1，所述光斑邊緣的壓力為p2，滿足2σh≤p1≤2.5σh，p2≥σh，其中式中，為動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，v為材料的泊松比，使整個(gè)激光沖擊光斑區(qū)域產(chǎn)生動(dòng)態(tài)塑性變形，而光斑中心區(qū)域金屬工件不產(chǎn)生宏觀變形。

所述激光沖擊強(qiáng)化處理后，在金屬工件表面誘導(dǎo)出較深的塑性變形層，可形成較深的納米量級(jí)或亞微米量級(jí)梯度結(jié)構(gòu)層。

所述表面機(jī)械研磨處理過(guò)程為：先將沖擊過(guò)后的金屬工件表面吸收層去除，用去離子水對(duì)金屬工件表面進(jìn)行超聲清洗；確定與金屬工件材料相關(guān)的表面機(jī)械研磨工藝振動(dòng)頻率、球丸直徑及處理時(shí)間，在此基礎(chǔ)上對(duì)金屬工件的沖擊面進(jìn)行表面機(jī)械研磨處理。

所述表面機(jī)械研磨處理過(guò)程中，所述振動(dòng)頻率為50hz，所述球丸直徑為6～8mm，所述處理時(shí)間為5～60min。

所述表面機(jī)械研磨處理后，在某些激光沖擊強(qiáng)化難以納米化的金屬工件表層獲得納米量級(jí)梯度結(jié)構(gòu)層，在已被激光沖擊強(qiáng)化納米化的金屬工件表層獲得更深的納米量級(jí)梯度結(jié)構(gòu)層和更優(yōu)的納米量級(jí)-亞微米量級(jí)-微米量級(jí)梯度結(jié)構(gòu)層。

經(jīng)測(cè)定，采用所述金屬工件表層梯度納米結(jié)構(gòu)的組合可控制備方法在金屬工件表面制備梯度納米結(jié)構(gòu)層，其納米量級(jí)結(jié)構(gòu)層厚為30～50μm，亞微米量級(jí)結(jié)構(gòu)層厚為80～200μm，整個(gè)晶粒細(xì)化層厚為800～1300μm。

本發(fā)明有益效果：

(1)本發(fā)明有效實(shí)現(xiàn)了金屬工件表層(鋁合金、鈦合金、鎂合金、不銹鋼、鎳基高溫合金和鎂合金等)梯度納米結(jié)構(gòu)的組合可控制備，為航空航天、汽車輪船、化工等行業(yè)金屬關(guān)鍵重要部件的強(qiáng)化、修復(fù)提供了一種新型有效的方法；

(2)本發(fā)明可以獲得金屬工件材料表層梯度納米結(jié)構(gòu)的理想層厚，同時(shí)優(yōu)化微結(jié)構(gòu)分布的表層梯度納米結(jié)構(gòu)，針對(duì)當(dāng)前技術(shù)局限性，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)的可行性，創(chuàng)新地提出了一種切實(shí)可行的方法；

(3)本發(fā)明有效改善了金屬工件材料的表面粗糙度，提高了金屬工件材料的表面質(zhì)量，有效降低了金屬工件表面后處理的成本；

(4)本發(fā)明突破金屬工件材料強(qiáng)度-塑性“倒置關(guān)系”，確保良好塑性和較高強(qiáng)度并存，大幅度提高金屬工件的疲勞壽命、耐磨性能等綜合力學(xué)性能。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。

圖1為兩個(gè)實(shí)施例試樣尺寸示意圖。

圖2為am50鎂合金深度方向晶粒尺寸梯度變化示意圖。

圖3為am50鎂合金表層tem圖：(a)激光沖擊強(qiáng)化處理的試樣表層tem圖，(b)先激光強(qiáng)化處理，后機(jī)械研磨處理的試樣表層tem圖。

圖4為h62黃銅表層tem圖：(a)激光沖擊強(qiáng)化處理的試樣表層tem圖，(b)先激光強(qiáng)化處理，后機(jī)械研磨處理的試樣表層tem圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說(shuō)明，但本發(fā)明不應(yīng)僅限于實(shí)施例。

實(shí)施例一

一種使用上備方法制備鎂合金表層梯度納米結(jié)構(gòu)的實(shí)例，其步驟為：

(1)選用兩個(gè)尺寸為30mm×50mm×5mm的am50鎂合金試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分別記作試樣1和試樣2，處理區(qū)域a如圖1所示。

(2)對(duì)試樣1和試樣2按照步驟(1)中確立的區(qū)域a進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，其中激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)如下：光斑形狀為圓形，直徑為3mm，脈寬為10ns，脈沖能量為12j，橫向和縱向搭接率為50％，沖擊層數(shù)為1層。

(3)對(duì)試樣2進(jìn)行表面機(jī)械研磨處理，其中表面機(jī)械研磨參數(shù)如下：系統(tǒng)振動(dòng)頻率為50hz，球丸直徑為8mm，處理時(shí)間為30min。

如圖3所示，圖(a)為試樣1表層的tem圖，圖(b)為試樣2表層的tem圖。試樣1的平均晶粒尺寸約為50nm，梯度納米結(jié)構(gòu)的深度約為30μm，殘余應(yīng)力層深度約為1mm。試樣2的平均晶粒尺寸約為20nm，梯度納米結(jié)構(gòu)的深度約為50μm，殘余應(yīng)力層深度約為1mm。由于機(jī)械研磨處理誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力層深度不及激光沖擊誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力層，所以試樣1和試樣2的殘余應(yīng)力層深度接近。但是，激光沖擊強(qiáng)化細(xì)化晶粒僅僅是由激光沖擊產(chǎn)生的力效應(yīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的，而機(jī)械研磨處理不僅利用了其力效應(yīng)還利用了其熱效應(yīng)，從而為再結(jié)晶提供了所需的溫度，使試樣表面晶粒尺寸更小。

實(shí)施例二

一種使用上備方法制備銅合金表層梯度納米結(jié)構(gòu)的實(shí)例，其步驟為：

(1)選用兩個(gè)尺寸為30mm×50mm×5mm的h62黃銅試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分別記作試樣1和試樣2，處理區(qū)域a如圖1所示。

(2)對(duì)試樣1和試樣2按照步驟(1)中確立的區(qū)域a進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，其中激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)如下：光斑形狀為圓形，直徑為3mm，脈寬為10ns，脈沖能量為6j，橫向和縱向搭接率為50％，沖擊層數(shù)為1層。

(3)對(duì)試樣2進(jìn)行表面機(jī)械研磨處理，其中表面機(jī)械研磨參數(shù)如下：系統(tǒng)振動(dòng)頻率為50hz，球丸直徑為8mm，處理時(shí)間為15min。

如圖4所示，圖(a)為試樣1表層的tem圖，圖(b)為試樣2表層的tem圖。試樣1的平均晶粒尺寸約為15nm，梯度納米結(jié)構(gòu)的深度約為50μm，殘余應(yīng)力層深度約為1mm。試樣2的平均晶粒尺寸約為10nm，梯度納米結(jié)構(gòu)的深度約為60μm，殘余應(yīng)力層深度約為1mm。

兩個(gè)實(shí)施例都表明，與單一的激光沖擊強(qiáng)化處理方法相比，本方法制備的金屬表層納米晶粒尺寸明顯減小，并有效提高了梯度納米結(jié)構(gòu)的深度。由于激光沖擊強(qiáng)化的殘余應(yīng)力層深度較大，所以，兩個(gè)實(shí)施例中試樣1與試樣2的殘余應(yīng)力層深度都很接近，幾乎相同。