一種金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理方法，涉及材料表面改性技術(shù)。其主要步驟為：1)將金屬材料待加工表面進行預(yù)處理；2)在預(yù)處理的待加工表面上進行微造型，加工出微溝槽；3)將納米陶瓷粉末預(yù)注入微溝槽中，并在待加工表面上覆蓋一薄層金屬；4)將吸收層和約束層設(shè)置在薄層金屬表面；5)將金屬材料待加工表面進行激光噴丸處理，獲得納米顆粒增強的復(fù)合表面。本發(fā)明能夠制備出納米顆粒均勻分布、表面層晶粒細小的納米顆粒增強復(fù)合表面，有效提高金屬材料表面性能。本發(fā)明工藝過程簡單，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。
【專利說明】一種金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及金屬材料的表面改性【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理方法。
【背景技術(shù)】
[0003]金屬零部件在實際應(yīng)用過程中會受到各種載荷的作用，這種長期的載荷作用將會導(dǎo)致其發(fā)生失效。零部件失效通常發(fā)生于其表面，因此，表面強化是延長其使用壽命的重要手段。激光噴丸是一種新型的金屬材料表面改性技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于各種金屬零部件的表面強化，得到很好的效果。激光噴丸是通過高能納秒脈沖激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的高壓沖擊波使材料表面發(fā)生強烈塑性變形，改變材料表面微觀組織和應(yīng)力狀態(tài)來提高材料表面性能的方法。研究表明，激光噴丸能夠有效細化金屬材料表面微觀組織，產(chǎn)生高而深的殘余壓應(yīng)力，顯著提高材料表面性能，如硬度、耐磨性、耐腐蝕性能、抗疲勞性能等。
[0004]納米材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，因此，將其作為增強相加入金屬材料中能夠起到顯著的強化作用。而且隨著納米增強相尺度的減小和體積分?jǐn)?shù)的增加，強化效果逐漸增大。基于此，發(fā)展了納米顆粒增強復(fù)合表面來提高金屬材料的表面性能。專利號為JP2006-017502的專利申請?zhí)岢隽送ㄟ^彈丸機械撞擊制備納米顆粒增強復(fù)合表面的方法，以提高材料的表面性能。但該方法沖擊力較小，應(yīng)變率較低，不宜制備較厚顆粒增強復(fù)合表面，效率也較低，而且難以處理形狀復(fù)雜的零部件。隨著激光噴丸技術(shù)的發(fā)展，其表面改性的應(yīng)用范圍也得到拓展，逐漸發(fā)展了基于激光噴丸的納米涂層制備技術(shù)。專利號為CN101787528B和CN101736214B的專利申請介紹了通過激光噴丸將納米顆粒植入材料表面提高其表面性能的方法和裝置。這是與本發(fā)明最接近的專利申請，但是與本發(fā)明有許多本質(zhì)不同。首先，本發(fā)明采用結(jié)合`了表面微造型和激光噴丸的預(yù)注式激光噴丸方法制備納米復(fù)合表面層，即先在金屬材料表面加工微溝槽，將納米顆粒預(yù)注入其中，然后覆蓋一薄層金屬，再進行激光噴丸處理；而專利號為CN101787528B和CN101736214B的專利申請均是直接將納米顆粒鋪于材料表面進行激光噴丸。其次，本發(fā)明可以制得納米顆粒分布更均勻的納米顆粒增強復(fù)合表面，而且其厚度更厚，遠大于現(xiàn)有方法制得的幾微米的厚度，更好的增強材料表面性能。最后，現(xiàn)有方法進行激光噴丸時，容易引起預(yù)涂納米顆粒層的脫落和飛濺，導(dǎo)致納米顆粒增強層不連續(xù)和納米顆粒分布不均勻；本發(fā)明采用預(yù)注式激光噴丸方法可以在微溝槽與表面覆蓋的薄層金屬的互相聯(lián)動下，有效地約束納米陶瓷顆粒，避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。
[0005]針對現(xiàn)有方法存在的問題，本發(fā)明從制備工藝入手，提出一種金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理方法，采用表面微造型與激光噴丸相結(jié)合的預(yù)注式激光噴丸方法制備納米顆粒增強復(fù)合表面，主要是通過激光誘導(dǎo)的超高壓沖擊力使預(yù)注入微溝槽的納米陶瓷顆粒在微溝槽與覆蓋薄層金屬的聯(lián)動約束下嵌入微溝槽底部和兩側(cè)壁的基體金屬及覆蓋的薄層金屬中，同時使上表面覆蓋的薄層金屬在強塑性變形驅(qū)動下冷焊到金屬材料表面，最終獲得表面晶粒細小、納米陶瓷顆粒分布均勻、殘余壓應(yīng)力高而深、厚度大的復(fù)合表面，產(chǎn)生細晶強化、納米強化和形變強化的協(xié)同強化作用，顯著提高金屬材料表面性能。此工藝過程簡單，無污染，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。因此，通過本發(fā)明可以在金屬材料表面制備出高厚度高性能的均勻納米顆粒增強復(fù)合表面，滿足實際應(yīng)用的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理方法，其結(jié)合激光噴丸與納米材料的優(yōu)勢，采用表面微造型與激光噴丸相結(jié)合的預(yù)注式激光噴丸方法處理金屬材料表面，通過超高壓沖擊力使上表面覆蓋的薄層金屬在強塑性變形驅(qū)動下冷焊到金屬材料表面，同時使預(yù)注入微溝槽的納米陶瓷顆粒嵌入表面的薄層金屬中以及微溝槽底部和兩側(cè)壁的基體金屬中，獲得表面晶粒細小、納米陶瓷顆粒分布均勻、殘余壓應(yīng)力高的復(fù)合表面，產(chǎn)生細晶強化、納米強化和形變強化的協(xié)同強化作用，顯著提高金屬材料表面性能。
[0007]本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是:采用表面微造型與激光噴丸相結(jié)合的預(yù)注式激光噴丸方法處理金屬材料表面，使納米陶瓷顆粒均勻分布于材料表面，有效細化其表面晶粒，形成厚的納米顆粒均勻增強的細晶復(fù)合表面，顯著提高金屬材料表面性能。其具體步驟為:
1)將金屬材料待加工表面進行打磨、拋光、清洗和干燥預(yù)處理；
2)在預(yù)處理的待加工表面上進行微造型，加工出微溝槽；
3)將納米陶瓷粉末預(yù)注入微溝槽中，并在待加工表面上覆蓋一薄層金屬； 4)將吸收層和約束層設(shè)置在薄層金屬表面；
5)將金屬材料待加工表面進行激光噴丸處理，獲得納米顆粒增強的復(fù)合表面。
[0008]所述的金屬材料為金屬鋁、鋁合金、金屬鎂、鎂合金、金屬銅、銅合金、金屬鈦、鈦合金、金屬鎳、鎳合金、鑄鐵或鋼。
[0009]所述的微溝槽的形狀為方形、V形、U形、半圓形或倒梯形，所述微溝槽的上沿口寬度為100-200 μ m,微溝槽的深度為20-50 μ m。
[0010]所述的納米陶瓷粉末為SiC、TiC、WC、ZrC、Si3N4、AlN、TiN、BN、ZrN、VN、Si02、Al203、ZrO2, TiB2, ZrB2中的一種或幾種的混合粉末。
[0011]所述的納米陶瓷粉末的平均直徑為10-100nm。
[0012]所述的薄層金屬為金屬鋁、鋁合金、金屬鎂、鎂合金、金屬銅、銅合金、金屬鈦、鈦合金、金屬鎳、鎳合金、金屬鐵或鋼，厚度為10-40 μ m。
[0013]所述的吸收層為黑漆，約束層為玻璃或流水。
[0014]所述的激光噴丸處理參數(shù)為:激光功率密度為1-lOGW/cm2，激光脈寬為5_40ns，光斑直徑為1-lOmm，搭接率為20%-80%。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明結(jié)合了激光噴丸和納米材料兩者的優(yōu)勢，采用表面微造型與激光噴丸相結(jié)合的預(yù)注式激光噴丸方法制備納米顆粒增強的金屬材料復(fù)合表面，同時細化了金屬材料表面晶粒，形成了高而深的表面殘余壓應(yīng)力，從而顯著提高了其表面性能。表面微造型形成的微溝槽不僅起到承載納米陶瓷顆粒的作用，而且其與表面覆蓋的薄層金屬互相聯(lián)動，起到約束納米陶瓷顆粒的作用，以避免納米陶瓷顆粒在激光噴丸條件下產(chǎn)生脫落和飛濺現(xiàn)象，利于納米陶瓷顆粒更好地嵌入表面的薄層金屬中以及微溝槽底部和兩側(cè)壁的基體金屬中，使納米陶瓷顆粒更均勻分布，獲得更厚的納米顆粒增強復(fù)合表面；激光噴丸屬于冷態(tài)高應(yīng)變率塑性變形處理工藝，其通過超高壓沖擊力不僅使預(yù)注入微溝槽的納米陶瓷顆粒嵌入表面的薄層金屬中以及微溝槽底部和兩側(cè)壁的基體金屬中，同時使上表面覆蓋的薄層金屬在強塑性變形驅(qū)動下冷焊到金屬材料表面，而且有效細化了表面晶粒組織，形成了高而深的表面殘余壓應(yīng)力，產(chǎn)生了細晶強化、納米強化和形變強化的協(xié)同強化作用，顯著提高了金屬材料表面性能。因此，本發(fā)明可以制得表面晶粒細小、納米陶瓷顆粒分布均勻、殘余壓應(yīng)力高而深的高厚度復(fù)合表面，顯著提高金屬材料表面性能，延長其使用壽命。本發(fā)明工藝過程簡單，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明中金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理是通過表面微造型與激光噴丸相結(jié)合的復(fù)合方法來實現(xiàn)的。首先將金屬材料待加工表面進行預(yù)處理，并在處理好的待加工表面上進行微造型，加工出微溝槽，然后將納米陶瓷粉末預(yù)注入微溝槽中，并在待加工表面上覆蓋一薄層金屬，再設(shè)置吸收層和約束層，最后進行激光噴丸處理，獲得納米陶瓷顆粒增強的復(fù)合表面。采用本發(fā)明制得的納米陶瓷顆粒增強復(fù)合表面厚度大、晶粒細小、納米顆粒分布均勻、殘余壓應(yīng)力高而深，顯著提高了其表面性能，延長了其使用壽命。
[0017]實施例1:
1)將金屬材料鋁合金待加工表面進行打磨、拋光、清洗和干燥預(yù)處理；
2)在預(yù)處理的待加工表面上進行微造型，加工出上沿口寬度為100μ m，深度為20 μ m的方形微溝槽；
3)將IOnm的SiC納米陶瓷粉末預(yù)注入微溝槽中，并在待加工表面上覆蓋IOym的薄
層金屬；
4)在薄層金屬表面涂敷黑漆作為吸收層，并設(shè)置玻璃作為約束層；
5)將金屬材料待加工表面進行激光噴丸處理，激光功率密度為lOGW/cm2，激光脈寬為40ns，光斑直徑為10mm，搭接率為40%，獲得納米顆粒增強的復(fù)合表面。
[0018]采用顯微硬度儀測試了激光噴丸納米顆粒增強復(fù)合表面的硬度為221HV，較傳統(tǒng)激光噴丸表面的硬度提高了約47%。
[0019]實施例2:
1)將金屬材料低碳鋼待加工表面進行打磨、拋光、清洗和干燥預(yù)處理；
2)在預(yù)處理的待加工表面上進行微造型，加工出上沿口寬度為200μ m，深度為50 μ m的V形微溝槽；
3)將IOOnm的TiN納米陶瓷粉末預(yù)注入微溝槽中，并在待加工表面上覆蓋40μ m的薄
層金屬；
4)在薄層金屬表面涂敷黑漆作為吸收層，并設(shè)置流水作為約束層；
5)將金屬材料待加工表面進行激光噴丸處理，激光功率密度為lGW/cm2，激光脈寬為5ns，光斑直徑為1mm，搭接率為20%，獲得納米顆粒增強的復(fù)合表面。
[0020]采用顯微硬度儀測試了激光噴丸納米顆粒增強復(fù)合表面的硬度為289HV，較傳統(tǒng)激光噴丸表面的硬度提高了約30%。
[0021]實施例3:
1)將金屬材料純鈦待加工表面進行打磨、拋光、清洗和干燥預(yù)處理；
2)在預(yù)處理的待加工表面上進行微造型，加工出上沿口寬度為160μπι，深度為40μπι的梯形微溝槽；
3)將40nm的TiB2納米陶瓷粉末預(yù)注入微溝槽中，并在待加工表面上覆蓋30μ m的薄
層金屬；
4)在薄層金屬表面涂敷黑漆作為吸收層，并設(shè)置玻璃作為約束層；
5)將金屬材料待加工表面進行激光噴丸處理，激光功率密度為8GW/cm2，激光脈寬為30ns，光斑直徑為5mm，搭接率為80%，獲得納米顆粒增強的復(fù)合表面。
[0022]采用顯微硬度儀測試了激光噴丸納米顆粒增強復(fù)合表面的硬度為196HV，較傳統(tǒng)激光噴丸表面的硬度提高了約51%。
[0023]實施例4:
1)將金屬材料鎂合金待加工表面進行打磨、拋光、清洗和干燥預(yù)處理；
2)在預(yù)處理的待加工表面上進行微造型，加工出上沿口寬度為130μ m，深度為30 μ m的半圓形微溝槽；
3)將60nm的Al2O3納米陶瓷粉末預(yù)注入微溝槽中，并在待加工表面上覆蓋20μ m的薄
層金屬；`
4)在薄層金屬表面涂敷黑漆作為吸收層，并設(shè)置流水作為約束層；
5)將金屬材料待加工表面進行激光噴丸處理，激光功率密度為5GW/cm2，激光脈寬為20ns，光斑直徑為3mm，搭接率為60%，獲得納米顆粒增強的復(fù)合表面。
[0024]采用顯微硬度儀測試了激光噴丸納米顆粒增強復(fù)合表面的硬度為167HV，較傳統(tǒng)激光噴丸表面的硬度提高了約39%。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理方法，其特征在于，結(jié)合激光噴丸與納米材料的優(yōu)勢，采用表面微造型與激光噴丸相結(jié)合的預(yù)注式激光噴丸方法處理金屬材料表面，通過激光誘導(dǎo)的超高壓沖擊力使預(yù)注入微溝槽的納米陶瓷顆粒在微溝槽與覆蓋薄層金屬的聯(lián)動約束下嵌入微溝槽底部和兩側(cè)壁的基體金屬及覆蓋的薄層金屬中，同時使上表面覆蓋的薄層金屬在強塑性變形驅(qū)動下冷焊到金屬材料表面，最終獲得表面晶粒細小、納米陶瓷顆粒分布均勻、殘余壓應(yīng)力高而深、厚度大的復(fù)合表面；具體步驟為: A)將金屬材料待加工表面進行打磨、拋光、清洗和干燥預(yù)處理； B)在預(yù)處理的待加工表面上進行微造型，加工出微溝槽； C)將納米陶瓷粉末預(yù)注入微溝槽中，并在待加工表面上覆蓋一薄層金屬； D)將吸收層和約束層設(shè)置在薄層金屬表面； E)將金屬材料待加工表面進行激光噴丸處理，獲得納米顆粒增強的復(fù)合表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理方法，其特征在于，所述步驟A)的金屬材料為金屬鋁、鋁合金、金屬鎂、鎂合金、金屬銅、銅合金、金屬鈦、鈦合金、金屬鎳、鎳合金、鑄鐵或鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理方法，其特征在于，所述步驟B)的微溝槽的形狀為方形、V形、U形、半圓形或倒梯形，所述微溝槽的上沿口寬度為100-200 μ m,微溝槽的深度為20-50 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理方法，其特征在于，所述步驟 C)的納米陶瓷 粉末為 SiC, TiC, WC、ZrC, Si3N4' AIN、TiN, BN、ZrN, VN、SiO2'A1203、ZrO2, TiB2, ZrB2中的一種或幾種的混合粉末。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理方法，其特征在于，所述步驟C)的納米陶瓷粉末的平均直徑為10-100nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理方法，其特征在于，所述步驟C)的薄層金屬為金屬鋁、鋁合金、金屬鎂、鎂合金、金屬銅、銅合金、金屬鈦、鈦合金、金屬鎳、鎳合金、金屬鐵或鋼，厚度為10-40 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理方法，其特征在于，所述步驟D)的吸收層為黑漆，約束層為玻璃或流水。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料激光噴丸納米復(fù)合表面處理方法，其特征在于，所述步驟E)的激光噴丸處理參數(shù)為:激光功率密度為1-lOGW/cm2，激光脈寬為5-40ns，光斑直徑為1-lOmm，搭接率為20%-80%。
【文檔編號】C21D10/00GK103695628SQ201310669369
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】崔承云, 崔熙貴, 周建忠, 許曉靜, 任旭 申請人:江蘇大學(xué)