技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種金屬表面處理方法，特別是一種金屬表面離子注入強化方法。

背景技術(shù)：

鋁及其合金工程結(jié)構(gòu)和機械零件在航空航天、汽車、機械制造、船舶和化工等領(lǐng)域有著十分廣泛應(yīng)用。在鋁及其合金構(gòu)件的服役過程中，疲勞破壞是其普遍存在的問題之一。由于金屬材料的失效多開始于表面層，因而提高鋁及其合金的表面性能對于增加其疲勞壽命有著十分重要的作用。目前，通過不同的表面改性技術(shù)在金屬表面引入殘余壓應(yīng)力，可以對萌生于金屬表面的裂紋起抑制作用，進而有效提高金屬的疲勞壽命。

離子注入技術(shù)可以將高能離子植入材料表面層，在不改變材料基體性能的基礎(chǔ)上，有選擇的改變一定厚度材料表面層的應(yīng)力狀態(tài)；且離子注入改性層與基體之間無明顯界面，保證了離子注入改性層與基體間機械性能的連續(xù)過渡，避免了離子注入改性層與基體結(jié)合不牢而造成的表面層破壞。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種金屬表面離子注入強化方法。本發(fā)明能提高抗疲勞性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種金屬表面離子注入強化方法，其特征在于，按下述步驟進行：

①使用砂紙對金屬件的待離子注入面進行打磨；

②對金屬件超聲清洗，保證待離子注入表面的清潔；

③將金屬件置于離子注入真空系統(tǒng)靶盤中央位置并抽真空至工作狀態(tài)；

④根據(jù)需引入的壓應(yīng)力層厚度，選取相應(yīng)的注入離子和一組電壓、束流、劑量對金屬件表面進行高能離子注入處理；

⑤對離子注入處理前后的金屬件進行X射線衍射檢測，通過對比X射線衍射譜來確定離子注入面的應(yīng)力狀態(tài)；

⑥若未引入壓應(yīng)力，則根據(jù)X射線衍射檢測結(jié)果來調(diào)整離子注入的電壓和電流，繼續(xù)重復(fù)上述步驟①-⑤直至在制件表面層引入壓應(yīng)力；

⑦若已引入壓應(yīng)力，從而得到離子電壓、離子束流和離子種類，最后對金屬件進行批量離子注入處理來提高金屬的抗疲勞性能。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，所述步驟①中金屬的離子注入處理面需達到普通鏡面效果，粗糙度要求為0.01-0.06 μm。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，所述步驟②中超聲清洗方法是丙酮超聲清洗5分鐘，無水乙醇超聲清洗5分鐘，前后反復(fù)2-3次，吹干備用。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，所述步驟③中離子注入真空系統(tǒng)的真空度需要10^-4Pa及以上。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，所述步驟④中引入的壓應(yīng)力層厚度滿足函數(shù)：，其中x是單個入射離子的射程，x₀是靶材中入射離子最大富集層距離表面的距離，Δx_p為入射離子射程的高斯函數(shù)標準偏差。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，入射離子能量與壓應(yīng)力層厚度滿足微分方程：，其中S(E)單個入射離子停止運動需消耗的能量。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，所述束流大小應(yīng)保證使金屬材料產(chǎn)生回火反應(yīng)，可根據(jù)如下方程進行計算：，其中為靶體溫度，為環(huán)境溫度，I為束流，E為入射離子能量，A為離子注入面積。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，高能離子入射方向垂直于靶材表面來保證其最小的表面濺射量。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，所述步驟⑤中X射線衍射檢測采用連續(xù)掃描法，掃描速度為7°/min，掃描范圍為15~90°，離子注入后X射線衍射譜相對于注入前X射線衍射譜向右移動判定為在離子注入面引入壓應(yīng)力。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過利用高能離子對靶材表面進行離子注入處理，離子轟擊會造成靶材表面層的原子發(fā)生移位和重新排列，并在靶材表面離子注入層形成大量的間隙原子，這些間隙原子對其周圍晶體產(chǎn)生壓應(yīng)力。在宏觀上，表現(xiàn)為離子注入合金表面的壓應(yīng)力狀態(tài)。本發(fā)明采用X射線衍射技術(shù)檢測高能離子注入前后金屬件表面的應(yīng)力狀態(tài)，通過對比離子注入前后鋁及其合金表面X射線衍射譜的移動方向來判斷鋁及其合金表面的應(yīng)力狀態(tài)；最終提高抗疲勞性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的真空離子注入系統(tǒng)示意圖；

圖2是離子注入引入應(yīng)力原理圖；

圖3是離子注入前后1060鋁合金X射線衍射圖；

圖4是某一條件下（50 KeV、10μA/cm²、10¹⁵/cm²的He⁺）高能離子在1060鋁合金表面引入壓應(yīng)力層厚度。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但并不作為對本發(fā)明限制的依據(jù)。

一種金屬表面離子注入強化方法，其特征在于，按下述步驟進行：

①使用砂紙對金屬件的待離子注入面進行打磨；

②對金屬件超聲清洗，保證待離子注入表面的清潔；

③將金屬件置于離子注入真空系統(tǒng)靶盤中央位置并抽真空至工作狀態(tài)；

④根據(jù)需引入的壓應(yīng)力層厚度，選取相應(yīng)的注入離子和一組電壓、束流、劑量對金屬件表面進行高能離子注入處理；

⑤對離子注入處理前后的金屬件進行X射線衍射檢測，通過對比X射線衍射譜來確定離子注入面的應(yīng)力狀態(tài)；

⑥若未引入壓應(yīng)力，則根據(jù)X射線衍射檢測結(jié)果來調(diào)整離子注入的電壓和電流，繼續(xù)重復(fù)上述步驟①-⑤直至在制件表面層引入壓應(yīng)力；

⑦若已引入壓應(yīng)力，從而得到離子電壓、離子束流和離子種類，最后對金屬件進行批量離子注入處理來提高金屬的抗疲勞性能。

所述步驟①中金屬的離子注入處理面需達到普通鏡面效果，粗糙度要求為0.01-0.06 μm。

所述步驟②中超聲清洗方法是丙酮超聲清洗5分鐘，無水乙醇超聲清洗5分鐘，前后反復(fù)2-3次，吹干備用。

所述步驟③中離子注入真空系統(tǒng)的真空度需要10^-4Pa及以上。

所述步驟④中引入的壓應(yīng)力層厚度滿足函數(shù)：，其中x是單個入射離子的射程，x₀是靶材中入射離子最大富集層距離表面的距離，Δx_p為入射離子射程的高斯函數(shù)標準偏差。

入射離子能量與壓應(yīng)力層厚度滿足微分方程：，其中S(E)單個入射離子停止運動需消耗的能量。

所述束流大小應(yīng)保證使金屬材料產(chǎn)生回火反應(yīng)，可根據(jù)如下方程進行計算：，其中為靶體溫度，為環(huán)境溫度，I為束流，E為入射離子能量，A為離子注入面積。

高能離子入射方向垂直于靶材表面來保證其最小的表面濺射量。

所述步驟⑤中X射線衍射檢測采用連續(xù)掃描法，掃描速度為7°/min，掃描范圍為15~90°，離子注入后X射線衍射譜相對于注入前X射線衍射譜向右移動判定為在離子注入面引入壓應(yīng)力。

實施例1。按下述步驟進行：

1. 對1060鋁合金進行表面處理及清洗后，將靶材置于真空離子注入系統(tǒng)內(nèi)，并使其表面與離子入射方向垂直，再將離子注入系統(tǒng)抽真空至10^-4Pa，如圖1所示為真空離子注入系統(tǒng)示意圖。

2. 通過理論計算和正交優(yōu)化設(shè)計，選取幾種離子、不同的離子能量、束流大小和注入劑量進行離子注入處理，圖2所示為離子注入改性原理圖。

3. 分別對氦離子注入前后樣品進行X射線衍射檢測；圖3所示為衍射前后1060鋁合金表面的X射線衍射譜；測試結(jié)果表明，氦離子注入處理的合金表面X射線衍射譜與未離子注入的合金表面X射線衍射譜相比，向高角度方向偏移了0.14度，說明在1060合金表面層引入了殘余壓應(yīng)力。

4. 最終確定氦離子、離子能量為50 KeV，束流大小為10μA/cm²，劑量為10¹⁵/cm²的工藝方案并進行批量處理，該方案可在厚度為0.550μm的合金表面層引入壓應(yīng)力，如圖4所示。