專利名稱：：一種鋁合金材料表面納米化處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鋁合金材料表面納米化處理方法，特別涉及一種用于鋁合金材料表面處理的超聲波處理方法。
背景技術(shù)：
：金屬材料的表面納米化有各種各樣的方法。利用嚴(yán)重塑性變形方法可使金屬材料的微米晶粒細(xì)化形成超細(xì)晶或納米晶，這類方法包括等通道轉(zhuǎn)角擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)、表面機械研磨(SMAT)和高能球磨(服BM)等。其中表面機械研磨和高能球磨屬于高應(yīng)變率"&〉103/s)的塑性變形方法。表面機械研磨(SMAT)是近幾年發(fā)展起來的一項新的表面納米化技術(shù)。研究結(jié)果表明，在SMAT中由于受彈丸的高速、多方位重復(fù)沖擊，材料表層的粗晶組織通過產(chǎn)生強烈的高應(yīng)變率塑性變形而逐漸細(xì)化至納米量級(10—30rnn)。大量的TEM觀察結(jié)果表明，SMAT在原始晶粒中引入了大量的位錯、界面(晶界)等晶體缺陷，從而使晶粒發(fā)生破碎，其破碎程度取決于應(yīng)變和應(yīng)變率的大小。隨著材料表層深度的減小，應(yīng)變和應(yīng)變率逐漸增加，從基體到表面可依次產(chǎn)生形變粗晶層、細(xì)化結(jié)構(gòu)層和納米結(jié)構(gòu)層(厚度為10—50um)。在形變粗晶層中，材料的粗晶組織通?？僧a(chǎn)生位錯、層錯、孿晶等缺陷，以此來協(xié)調(diào)塑性應(yīng)變；在細(xì)化結(jié)構(gòu)層中，應(yīng)變和應(yīng)變率有所增加，位錯(或?qū)\晶)的數(shù)量增多，相互作用更加頻繁，因而可形成小尺寸的位錯胞或?qū)\晶，同時其界面(晶界)的取向差也逐漸增大；而在納米結(jié)構(gòu)層中，應(yīng)變和應(yīng)變率急劇增加，位錯胞尺寸或?qū)\晶尺寸可進(jìn)一步減小至納米量級，通過位錯湮滅和重組、亞晶界的演變或?qū)\晶的重復(fù)交割可最終形成取向呈隨機分布的納米晶。此外，材料在SMAT中的微觀組織演化還受到變形金屬層錯能和晶體結(jié)構(gòu)等因素的影響。例如，bcc結(jié)構(gòu)的高層錯能金屬Fe，由于其變形受位錯滑移的控制，隨著材料表層深度的減小，在各類變形層中可依次形成位錯墻和位錯纏結(jié)、亞晶及納米晶等一系列微觀組織。而具有fcc結(jié)構(gòu)的AISI304不銹鋼，由于其低層錯能性質(zhì)限制了不全位錯的交滑移，使得位錯只能在各自的滑移面上運動，因而在形變粗晶層中可形成{111}平面的位錯列、位錯網(wǎng)格和層錯；隨著應(yīng)變和應(yīng)變率的增加，機械孿生開動，在細(xì)化結(jié)構(gòu)層中可形成多系孿晶交割，并在孿晶交割處誘發(fā)馬氏體相變。對于hcp結(jié)構(gòu)的a-Ti、Co、Mg合金等材料，在形變粗晶層中以機械孿生變形為主，隨著應(yīng)變和應(yīng)變率的增加，才逐漸產(chǎn)生位錯滑移，同時伴有層錯?？梢姡琒MAT中金屬材料變形的微觀機制是應(yīng)變、應(yīng)變率、晶體結(jié)構(gòu)、層錯能等內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果。除發(fā)生大晶粒破碎外，TEM的觀察結(jié)果還表明，a-Ti、Co和Mg合金等材料在SMAT中均出現(xiàn)了晶界結(jié)構(gòu)完整，"潔凈"、無應(yīng)變的等軸狀納米晶，研究人員認(rèn)為這是發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶的結(jié)果。而對于動態(tài)再結(jié)晶機制，也有人持不同的看法。例如，Zhu等人認(rèn)為是由于亞晶發(fā)生旋轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)再結(jié)晶)所致。動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生表明在SMAT中存在由高應(yīng)變、高應(yīng)變率塑性變形所導(dǎo)致的絕熱溫升，并且它對納米晶組織的演化也產(chǎn)生了作用。在探求SMAT中金屬材料的表面納米化機理時，這一問題不可忽視。值得注意的是，由于在SMAT中彈丸對樣品表面施加的多方位重復(fù)載荷可促進(jìn)晶體的多系滑移和多系孿生變形，從而大大提高了材料的納米化程度。高能球磨(HEBM)技術(shù)是1970年代由Benjamin等人提出的。它以簡單、低成本和對材料的廣泛適用性等優(yōu)點，在納米晶材料的研究與制備方面發(fā)揮了重要作用。在HEBM中，金屬粉末受研磨球、研磨罐的頻繁碰撞而產(chǎn)生變形、冷焊、斷裂等過程。原始粗晶在高應(yīng)變率"&〉103/s)、多方向的重復(fù)載荷下可最終形成晶粒取向呈隨機分布的納米晶。利用X射線衍射分析(XRD)測量晶粒尺寸的實驗結(jié)果表明，球磨中粉末的平均晶粒尺寸通常有如下變化在球磨初期，晶粒細(xì)化速度較快，晶粒尺寸迅速減小到某一值；進(jìn)一步球磨，晶粒細(xì)化速度明顯減慢，晶粒尺寸緩慢減小至某一穩(wěn)態(tài)的晶粒尺寸；繼續(xù)球磨，晶粒尺寸幾乎不發(fā)生變化。通常，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的晶粒尺寸在5—30nm范圍。此外，在2007年Mufioz等人將球磨形成的納米晶Fe粉放入異丙醇液體中進(jìn)行超聲分散，隨后利用磁場和重力場的共同作用還從中采集到了更小尺寸的納米顆粒(2—4nm)。以往對高能球磨中金屬納米晶的形成機制主要存在兩種觀點，即大晶粒的破碎機制和動態(tài)再結(jié)晶機制。由Fecht等人提出的大晶粒破碎機制主要包括三個階段l)在變形初期，通過產(chǎn)生局部變形形成具有高密度位錯的剪切帶；2)在一定的應(yīng)變條件下，位錯經(jīng)湮滅和重組形成納米尺寸(20—30nm)的亞晶，亞晶隨進(jìn)一步變形延續(xù)至整個樣品；3)通過晶界滑動等可能的機制形成隨機取向的納米晶。Liu等人對球磨Fe禾BFe-O。89C的TEM研究結(jié)果也符合這一機制的特征，所不同的是沒有觀察到剪切帶組織。而Zhang等人通過對球磨形成的納米晶Zn進(jìn)行TEM觀察與研究，提出了動態(tài)再結(jié)晶機制。-此外，Manna等人的研究結(jié)果表明，在金屬Zr和Ti的高能球磨過程中，除晶粒發(fā)生細(xì)化形成納米晶外，還分別發(fā)生了hcp—fcc同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。對球磨粉末的DSC測量進(jìn)一步表明，晶格位錯彈性能占儲存焓的比例很小，大部分儲存焓來自于晶界焓的釋放。為此有學(xué)者認(rèn)為，隨著晶粒尺寸的減小，晶界的體積分?jǐn)?shù)不斷增加，其塑性變形機制也由晶內(nèi)的位錯運動逐漸向晶界處轉(zhuǎn)變，包括雜質(zhì)堆積、晶界滑動以及晶界軟化等機制。目前對于晶界處的塑性變形機制尚不十分清楚。雖然變形材料的形態(tài)各異，外加載荷方式也有所不同，但經(jīng)高應(yīng)變率"&〉103/s)塑性變形后均實現(xiàn)了金屬材料的納米化(5—30nm)。而通常在ECAP、HPT等準(zhǔn)靜態(tài)塑性變形中形成的晶粒尺寸只能達(dá)到100—500mn。與ECAP等準(zhǔn)靜態(tài)變形相比，金屬材料在高應(yīng)變率條件下不僅受應(yīng)變強化，還受到應(yīng)變率強化的作用，因而可產(chǎn)生更高的流變應(yīng)力，形成更小尺寸的晶粒。此外，經(jīng)高應(yīng)變率變形產(chǎn)生的絕熱溫升使得局部組織在變形中出現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶、相變等特殊現(xiàn)象，這更增加了變形組織演化的復(fù)雜性。對于金屬材料在高應(yīng)變率條件下的晶粒細(xì)化與納米晶的形成，借助于TEM、XRD、DSC等實驗手段，目前已經(jīng)取得階段性的成果。利用TEM觀察已較好地證實了晶粒在細(xì)化過程中形成的位錯列、位錯墻、位錯纏結(jié)等組態(tài)以及納米尺寸的亞晶、孿晶和再結(jié)晶晶粒的存在；選區(qū)電子衍射(SAED)和HREM還進(jìn)一步表明了晶界取向差的變化和納米晶的狀態(tài)；利用XRD可表征材料的晶粒尺寸和微觀應(yīng)變的變化。盡管如此，到目前為止獲得的實驗數(shù)據(jù)還不夠豐富，人們對于高應(yīng)變率下納米晶形成機制的認(rèn)識也還有限。如上所述，現(xiàn)有的表面納米化研究包括高能噴丸表層納米化(HSP)、表面機械研磨處理(SMAT)技術(shù)研究，該方法是用超聲波震蕩器激發(fā)起高能球使其以一定速度撞擊于材料表面，使其表面不斷產(chǎn)生塑性變形，最終實現(xiàn)表層納米化。該方法能夠形成表層納米層，但是打擊面粗糙，受到噴丸直徑與速度的影響大，噴丸沖擊面積不均勻，打擊面的受沖擊頻率與密度只能是統(tǒng)計值。鋁合金屬于較軟金屬材料，如何使之形成納米表面一直是本
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急需要解決的難題。因此，提供一種大幅度提高鋁合金疲勞性能、應(yīng)力腐蝕性能、耐磨性能以及硬度等，即使合金強韌化和結(jié)構(gòu)功能一體化的超聲波表面強化處理方法就成為該
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急需要解決的技術(shù)難題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種大幅度提高鋁合金疲勞性能、應(yīng)力腐蝕性能、耐磨性能以及硬度等，即使合金強韌化和結(jié)構(gòu)功能一體化的超聲波表面強化處理方法。本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案達(dá)到的一種鋁合金材料表面納米化處理方法，其步驟如下首先將超聲波表面強化處理裝置垂直對準(zhǔn)處理工件表面；然后接通電源，打開超聲波表面強化處理裝置，使所述超聲波表面強化處理裝置針對待處理工件機械動力密排等距，等速行走，對待處理工件沿軸向等速密排處理。一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述超聲波發(fā)生裝置的沖頭進(jìn)給量為0.07mm/r;機床主軸轉(zhuǎn)速為400r/min;加工速度為100mm/min;加工往返兩次；所述超聲波發(fā)生裝置的輸出端振幅為30微米。一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述超聲波發(fā)生裝置的沖頭涂有乳化冷卻液。本發(fā)明的超聲波表面強化處理裝置包括超聲波發(fā)生裝置，通過導(dǎo)線與之相連接的超聲波工作槍；所述超聲波工作槍包括沖頭，波導(dǎo)管，套筒，外殼，超聲波轉(zhuǎn)換器，壓力彈簧，制冷用壓縮空氣導(dǎo)管；所述沖頭和所述波導(dǎo)管通過連接螺母與所述套筒相連接；所述波導(dǎo)管通過所述套筒與所述超聲波轉(zhuǎn)換器相連接，所述套筒與所述壓力彈簧相連接，所述超聲波轉(zhuǎn)換器與所述壓力彈簧位于所述套筒內(nèi)；所述套筒外面設(shè)有外殼；所述套筒另一端與所述制冷用壓縮空氣導(dǎo)管相連接。所述超聲波工作槍的外殼下端設(shè)有固定板。所述超聲波轉(zhuǎn)換器包括磁致伸縮換能器和與之相連接的壓電換能器。所述沖頭為硬質(zhì)合金并且固定在固定架上，所述固定架再與所述波導(dǎo)管相連接。所述沖頭為球面或關(guān)圓柱狀。有益效果本發(fā)明的鋁合金材料表面納米化處理方法采用塑形變形方法和相當(dāng)大的變形速度處理工件表面，使待處理工件的疲勞強度，腐蝕抗力，屈服和斷裂點，磨損阻抗，光的折射系數(shù)增加，并且使材料表面致密化，尺寸減小，密度增加。下面通過附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但并不意味著對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。圖1是本發(fā)明超聲波表面強化處理方法表面處理示意圖。圖2是7B04鋁合金超聲波處理后的表面納米層的形貌圖。圖3是超聲波表面處理后，7B04材料表面形成納米層之下為一層較厚的變形層的形貌圖。圖4a和圖4b分別為超聲波處理前和超聲波處理后的腐蝕情況對比圖。圖5a和圖5b分別為超聲波處理前和超聲波處理后的耐磨性試驗結(jié)果對比圖。具體實施方式實施例1如圖1所示，是本發(fā)明超聲波表面強化處理方法表面處理示意圖。圖中l(wèi)為待處理工件，2為超聲波表面強化處理裝置，3為車床卡盤，4支撐車床主軸，5為超聲波表面強化處理裝置的固定架。所述待處理工件1通過車床卡盤3和支撐車床主軸4夾持在車床上；所述超聲波表面強化處理裝置2固定在超聲波表面強化處理裝置的固定架5上。所述超聲波表面強化處理裝置包括超聲波發(fā)生裝置，通過導(dǎo)線與之相連接的超聲波工作槍；所述超聲波工作槍包括沖頭，波導(dǎo)管，套筒，外殼，超聲波轉(zhuǎn)換器，壓力彈簧，制冷用壓縮空氣導(dǎo)管；所述沖頭和所述波導(dǎo)管通過連接螺母與所述套筒相連接；所述波導(dǎo)管通過所述套筒與所述超聲波轉(zhuǎn)換器相連接，所述套筒與所述壓力彈簧相連接，所述超聲波轉(zhuǎn)換器與所述壓力彈簧位于所述套筒內(nèi)；所述套筒外面設(shè)有外殼；所述套筒另一端與所述制冷用壓縮空氣導(dǎo)管相連接。所述超聲波工作槍的外殼下端設(shè)有固定板。所述超聲波轉(zhuǎn)換器包括磁致伸縮換能器和與之相連接的壓電換能器。所述沖頭為硬質(zhì)合金并且固定在固定架上，所述固定架再與所述波導(dǎo)管相連接。所述沖頭為球面或關(guān)圓柱狀。所述沖頭為硬質(zhì)合金，其工作端為耐磨球，其輸出端圓弧直徑為l0毫米；沖頭輸出端超聲振幅為10毫米。對直徑為80毫米的7B04高強高韌鋁合金進(jìn)行表面納米化處理，其步驟如下首先將超聲波表面強化處理裝置2垂直對準(zhǔn)待處理工件1表面;然后接通電源，打開超聲波表面強化處理裝置2，使所述超聲波表面強化處理裝置2針對待處理工件l機械動力密排等距，等速行走，對待處理工件沿軸向等速密排處理。所述超聲波發(fā)生裝置的沖頭進(jìn)給量為0.07mm/r;所述超聲波發(fā)生裝置的輸出端振幅為30微米。所述超聲波發(fā)生裝置的沖頭涂有乳化冷卻液。所述待處理工件1通過車床卡盤3和支撐車床主軸4夾持在車床上；所述超聲波表面強化處理裝置2固定在超聲波表面強化處理裝置的固定架5上。機床主軸轉(zhuǎn)速為400r/rain;加工速度為100mm/min;加工往返兩次；選用乳化冷卻液作為潤滑劑；納米沖頭選用耐磨球，其輸出端圓弧直徑為l2毫米；沖頭輸出端超聲振幅為14毫米。用JE0L10O—CX-I透射電子顯微鏡觀測樣品表面的微觀組織。得到的7B04鋁合金超聲波處理后表面納米層形貌如圖2所示。如圖2所示，超聲波表面處理后，材料表面形成納米層，表層組織得到均一化，表層晶粒平均尺寸為20nm。從圖中可以看出超聲波表面處理后晶體尺寸達(dá)納米數(shù)量級和位錯密度的增加。圖3是材料表面形成納米層之下是一層較厚的變形層的形貌圖。如圖3所示，超聲波表面處理后，7B04材料表面形成納米層之下是一層較厚的變形層，這一變形帶晶粒形變，向狹長方向發(fā)展，并有一定的取向，表面形成殘余壓應(yīng)力，表面粗糙度明顯下降，晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大的梯度結(jié)構(gòu)。7B04鋁合金超聲波表面處理前、后試樣的疲勞壽命試驗，對高強度鋁合金材料，大幅度提高了疲勞壽命，結(jié)果如表l所示表1.合金超聲波表面處理前、后試樣的疲勞壽命<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>7B04鋁合金超聲波表面處理前、后試樣的腐蝕試驗腐蝕液為5.0%硝酸鉀(KN03),0.65%硝酸(HN03)，23.4%氯化鈉(NaCl)，腐蝕時間為48小時。結(jié)果如表2所示<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>超聲波處理前材料表面表面腐蝕出現(xiàn)大量的點蝕受點蝕面積約為90%、超聲波處理后的腐蝕情況為出現(xiàn)少量的微小點蝕坑，受腐蝕面積約為原面積的7%。由此可以看出超聲波處理后樣品的耐腐蝕能力大幅度提高。圖4a和圖4b分別為超聲波處理前、后，7B04鋁合金的腐蝕情況對比；可以看出，應(yīng)力腐蝕性能得到顯著提高，其應(yīng)力腐蝕壽命為未超聲波處理的兩倍。耐摩擦性能試驗清華大學(xué)國家摩擦磨損重點試驗室進(jìn)行的往復(fù)滑動摩擦實驗，試驗條件為正壓力10N、往復(fù)摩擦頻率為20Hz，摩擦系數(shù)為0.2，摩擦對為鋼球。得到的試驗結(jié)果見圖5a和圖5b。如圖5a和圖5b所示，超聲波處理后的試樣的耐磨性為超聲波處理前樣品的兩倍半到三倍。殘余應(yīng)力試驗本發(fā)明用X光方法分析7B04高強高韌鋁合金超聲處理前、后的表面殘余應(yīng)力形態(tài)，結(jié)果得出，超聲處理前表面殘余應(yīng)力為60Mpa，而超聲處理后表面殘余應(yīng)力為200Mpa，增加到三倍以上。對高強高韌7B04新型鋁合金的分析表明經(jīng)過表面超聲沖擊處理后，樣品表層的晶?？杉?xì)化至納米量級，表面的晶粒尺寸約為10nm，隨著至表面距離的增加，晶粒尺寸逐漸增大的梯度結(jié)構(gòu)。在表面附近發(fā)生強烈塑性變形的區(qū)域，顯微組織由納米晶組成(10100nm);經(jīng)過表面超聲沖擊處理后，材料在表面附近發(fā)生的變化可歸納為表面納米化及梯度結(jié)構(gòu)；殘余壓應(yīng)力的存留，材料表面活性的增加，這些表面特性的綜合改變使得高強高韌新型鋁合金材料的疲勞性能、應(yīng)力腐蝕性能、耐磨性等均有較大幅度的提高，為高強高韌新型鋁合金材料強韌化和結(jié)構(gòu)功能一體化的新概念、新技術(shù)的實現(xiàn)提供了發(fā)展空間。權(quán)利要求1、一種鋁合金材料表面納米化處理方法，其步驟如下首先將超聲波表面強化處理裝置垂直對準(zhǔn)處理工件表面；然后接通電源，打開超聲波表面強化處理裝置，使所述超聲波表面強化處理裝置針對待處理工件機械動力密排等距，等速行走，對待處理工件沿軸向等速密排處理。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金材料表面納米化處理方法，其特征在于所述超聲波發(fā)生裝置的沖頭進(jìn)給量為0.07國/r;機床主軸轉(zhuǎn)速為40Or/min;加工速度為100mm/min;加工往返兩次；所述超聲波發(fā)生裝置的輸出端振幅為30微米。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋁合金材料表面納米化處理方法，其特征在于所述超聲波發(fā)生裝置的沖頭涂有乳化冷卻液。全文摘要本發(fā)明涉及一種鋁合金材料表面納米化處理方法，其步驟如下首先將超聲波表面強化處理裝置垂直對準(zhǔn)處理工件表面；然后接通電源，打開超聲波表面強化處理裝置，使所述超聲波表面強化處理裝置針對待處理工件機械動力密排等距，等速行走，對待處理工件沿軸向等速密排處理。本發(fā)明的鋁合金材料表面納米化處理方法采用塑形變形方法和相當(dāng)大的變形速度處理工件表面，使待處理工件的疲勞強度，腐蝕抗力，屈服和斷裂點，磨損阻抗，光的折射系數(shù)增加，并且使材料表面致密化，尺寸減小，密度增加。文檔編號C22F3/00GK101624692SQ20081011646公開日2010年1月13日申請日期2008年7月10日優(yōu)先權(quán)日2008年7月10日發(fā)明者孫澤明,張東暉,朱其芳,朱寶宏,熊柏青,王福生申請人:北京有色金屬研究總院