本申請涉及金屬材料加工，特別是涉及一種用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法。

背景技術：

1、隨著新一代新能源和高端裝備制造等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對金屬材料的性能提升提出了更為迫切的需求。金屬材料在不同領域服役過程中的失效形式主要包括腐蝕、磨損及疲勞失效等，其中疲勞失效最為常見，疲勞失效指的是零部件在受到熱和力等交變載荷的作用下，損傷不斷累積直至最終突然斷裂的過程，因此，金屬材料抗疲勞特性的提升成為了當前研究的重點問題。

2、工程上，零部件的疲勞破壞往往開始于材料表面，這是因為當零部件表面存在某種缺陷或類裂紋時，會形成較大的應力集中。在循環(huán)載荷作用下，裂紋容易從應力集中程度較高的缺陷處萌生，并以此為基礎擴展，直至發(fā)生疲勞破壞導致失效。因此，工程中通常選擇各種表面強化工藝來改善零部件的表面質量，提高零部件的抗疲勞性能。

3、目前常見的表面強化方法有噴丸、激光沖擊強化和超聲滾壓強化等。其中超聲滾壓表面強化方法涉及較復雜的工藝參數(shù)，相比傳統(tǒng)滾壓方法，超聲滾壓方法的超聲沖擊能量較大，會使強化區(qū)域塑性變形嚴重，容易引起表面的粗糙。

技術實現(xiàn)思路

1、本申請的目的是提供一種用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法、裝置、設備、介質及產(chǎn)品，以解決超聲滾壓表面強化制備梯度納米層片結構易產(chǎn)生表面缺陷從而影響疲勞性能的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本申請?zhí)峁┝巳缦路桨福?/p>

3、本申請?zhí)峁┝艘环N用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法，所述用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法包括：

4、將當前金屬材料試樣和超聲滾壓強化裝置分別安裝在數(shù)控車床上，并設置超聲滾壓加工參數(shù)；所述超聲滾壓加工參數(shù)包括超聲滾壓強化裝置的靜壓力、數(shù)控車床的進給速度以及數(shù)控車床的轉速；

5、啟動超聲波發(fā)生器，并將超聲波發(fā)生器的頻率調節(jié)至預設頻率，將超聲波發(fā)生器的振幅調節(jié)至預設振幅；

6、啟動數(shù)控車床，對當前金屬材料試樣表面進行逐級超聲滾壓加工，且在逐級超聲滾壓加工過程中對當前金屬材料試樣表面進行潤滑和冷卻，從而得到具有梯度納米層片結構的金屬材料試樣；

7、利用光學顯微鏡對梯度納米層片結構軸截面進行觀察，得到梯度納米層片結構軸截面的微觀結構圖像；

8、基于梯度納米層片結構軸截面的微觀結構圖像，確定梯度納米層片結構的應變速率，并判斷梯度納米層片結構的應變速率是否大于等于預設應變速率閾值；

9、若是，則對梯度納米層片結構進行表面再處理，得到制備好的梯度納米層片結構；

10、若否，則調整對應的超聲滾壓加工參數(shù)，直至梯度納米層片結構的應變速率大于等于預設應變速率閾值，對梯度納米層片結構進行表面再處理，得到制備好的梯度納米層片結構。

11、可選地，所述預設頻率為20khz，所述預設振幅為16μm。

12、可選地，對當前金屬材料試樣表面進行逐級超聲滾壓加工，具體包括：

13、對當前金屬材料試樣表面依次以第一預設靜壓力閾值和第二預設靜壓力閾值進行逐級超聲滾壓加工；其中，所述第二預設靜壓力閾值大于第一預設靜壓力閾值。

14、可選地，對當前金屬材料試樣表面進行多次逐級超聲滾壓加工。

15、可選地，所述逐級超聲滾壓加工的次數(shù)為4。

16、可選地，所述預設應變速率閾值為103s-1。

17、可選地，基于梯度納米層片結構軸截面的微觀結構圖像，確定梯度納米層片結構的應變速率，具體包括：

18、基于梯度納米層片結構軸截面的微觀結構圖像，繪制流變曲線；

19、基于所述流變曲線，擬合得到第一工況參數(shù)和第二工況參數(shù)；

20、基于所述第一工況參數(shù)和所述第二工況參數(shù)，確定梯度納米層片結構的流變位移場與深度之間的關系；

21、基于梯度納米層片結構的流變位移場與深度之間的關系，確定梯度納米層片結構的剪切位移場；

22、基于梯度納米層片結構的剪切位移場，確定梯度納米層片結構的應變速率。

23、可選地，梯度納米層片結構的流變位移場與深度之間的關系的表達式為：

24、y(x)＝y(tǒng)sexp(-kx)；

25、其中，x為梯度納米層片結構的流變曲線上任一點的深度；y為梯度納米層片結構的流變曲線的任一點的流變位移；ys為第一工況參數(shù)；k為第二工況參數(shù)；

26、梯度納米層片結構的剪切位移場的表達式為：

27、γ(x)＝y(tǒng)skexp(kx)；

28、其中，γ(x)為梯度納米層片結構的剪切位移場；

29、梯度納米層片結構的應變速率的表達式為：

30、

31、其中，為梯度納米層片結構的應變速率；r為金屬材料試樣直徑；v1為數(shù)控車床的轉速。

32、可選地，對時刻的梯度納米層片結構進行表面再處理的方式包括滾光、振光和滾磨。

33、可選地，利用攻牙油作為潤滑介質和冷卻介質在逐級超聲滾壓加工過程中對當前金屬材料試樣表面進行潤滑和冷卻。

34、可選地，所述金屬材料試樣為鈦、鎳、銅、鐵、鋁中的一種或者其中幾種形成的合金。

35、根據(jù)本申請?zhí)峁┑木唧w實施例，本申請公開了以下技術效果：

36、本申請公開了一種用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法，通過對金屬材料試樣表面進行超聲滾壓加工，得到具有梯度納米層片結構的金屬材料試樣，并利用光學顯微鏡得到梯度納米層片結構軸截面的微觀結構圖像，基于梯度納米層片結構軸截面的微觀結構圖像，確定梯度納米層片結構的應變速率，判斷所述應變速率是否滿足要求，若不滿足，則改變對應的超聲滾壓加工參數(shù)，對具有梯度納米層片結構的金屬材料試樣重新進行超聲滾壓加工，直至應變速率滿足要求時，對梯度納米層片結構進行表面再處理，得到制備好的梯度納米層片結構；其中，當應變速率滿足要求時得到的梯度納米層片結構具有較好的疲勞性能。

技術特征：

1.一種用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法，其特征在于，所述用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法，其特征在于，所述預設頻率為20khz，所述預設振幅為16μm。

3.根據(jù)權利要求1所述的用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法，其特征在于，對當前金屬材料試樣表面進行逐級超聲滾壓加工，具體包括：

4.根據(jù)權利要求3所述的用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法，其特征在于，對當前金屬材料試樣表面進行多次逐級超聲滾壓加工，且所述逐級超聲滾壓加工的次數(shù)為4。

5.根據(jù)權利要求1所述的用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法，其特征在于，所述預設應變速率閾值為103s-1。

6.根據(jù)權利要求1所述的用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法，其特征在于，基于梯度納米層片結構軸截面的微觀結構圖像，確定梯度納米層片結構的應變速率，具體包括：

7.根據(jù)權利要求6所述的用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法，其特征在于，梯度納米層片結構的流變位移場與深度之間的關系的表達式為：

8.根據(jù)權利要求1所述的用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法，其特征在于，對梯度納米層片結構進行表面再處理的方式包括滾光、振光和滾磨。

9.根據(jù)權利要求1所述的用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法，其特征在于，利用攻牙油作為潤滑介質和冷卻介質在逐級超聲滾壓加工過程中對當前金屬材料試樣表面進行潤滑和冷卻。

10.一種用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法，其特征在于，所述金屬材料試樣為鈦、鎳、銅、鐵、鋁中的一種或者其中幾種形成的合金。

技術總結
本申請公開一種用于制備梯度納米層片結構的超聲滾壓復合強化方法，涉及金屬材料加工技術領域，該方法包括將金屬材料試樣和超聲滾壓強化裝置安裝在車床上，并設置超聲滾壓加工參數(shù)；啟動車床對金屬材料試樣表面進行逐級超聲滾壓加工得到具有梯度納米層片結構的金屬材料試樣；利用顯微鏡對梯度納米層片結構軸截面進行觀察，得到微觀結構圖像，確定梯度納米層片結構的應變速率，并判斷應變速率是否超過預設應變速率閾值；若是，則對梯度納米層片結構進行表面再處理，得到制備好的梯度納米層片結構；若否，則調整對應的超聲滾壓加工參數(shù)，直至梯度納米層片結構的應變速率超過預設應變速率閾值。本申請?zhí)嵘颂荻燃{米層片結構的疲勞性能。

技術研發(fā)人員：賈云飛,劉壯,張勇,賀琛赟,張顯程,涂善東
受保護的技術使用者：華東理工大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/30