專利名稱：超聲速微粒轟擊金屬材料表面納米化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料表面納米化領(lǐng)域，具體地說是超聲速微粒轟擊金屬材料表面納米化方法。
背景技術(shù)：
金屬材料表納米化是近年開始的一個(gè)新領(lǐng)域，材料科學(xué)技術(shù)(J.Mater.Sci.Technol.)雜志，1999年第15卷第3期193頁，發(fā)表的論文中介紹了“超聲噴丸”的方法，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是以超聲波發(fā)生器的高頻率振動(dòng)(～20kHz)為動(dòng)力，將硬質(zhì)材料小球(直徑約2毫米)碰撞金屬試樣的表面使之納米化，其不足之處是該技術(shù)對(duì)形狀復(fù)雜的金屬部件與大平面金屬設(shè)備無法進(jìn)行表面納米化處理，這是該技術(shù)工程應(yīng)用受限制的關(guān)鍵問題。
法國專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?689431)或俄羅斯專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?391135)，提供一種在預(yù)定的時(shí)間里利用超聲波使金屬零件產(chǎn)生強(qiáng)化的方法，它能在封閉的空間中通過超聲波發(fā)生器的中間體實(shí)現(xiàn)彈丸的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)法國專利證申請(qǐng)的方法，可通過調(diào)節(jié)彈丸的速度使金屬零件取得確定的表面粗糙度和確定深度的硬化層，為了獲得理想的處理效果，發(fā)射系統(tǒng)移動(dòng)的速度應(yīng)滿足一個(gè)確定值，低于這個(gè)值材料的表面可實(shí)現(xiàn)冷作硬化，高于這個(gè)值進(jìn)行處理則效果不均勻，這就是說，不論材料表面的哪個(gè)點(diǎn)都不能被重復(fù)噴射，只能噴射一次。其不足之處在于難以在材料上獲得一定深度的納米結(jié)構(gòu)，例如從幾到幾十微米深度的納米結(jié)構(gòu)表層；而且不適用于形狀復(fù)雜或大平面金屬材料表面納米化。
另外，超聲速噴涂工藝是利用壓縮空氣作載帶氣體，壓縮空氣經(jīng)由Laval噴嘴獲得超聲速，但超聲速噴涂的目的在制備不同于基體金屬材料的其他金屬或合金涂層，即將與基體金屬性質(zhì)不同的其他金屬材料或合金噴涂于基體表面上形成涂層，而利用超聲速噴氣，使金屬材料自身表面納米化，未見相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以使形狀復(fù)雜或大平面金屬材料表面納米化的超聲速微粒轟擊金屬材料表面納米化方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是采用壓縮氣體攜帶硬質(zhì)微粒，通過超聲速噴嘴噴射于金屬材料表面，具體步驟如下1.基體前處理常規(guī)的表面拋光，丙酮、酒精清洗；2.表面納米化采用壓縮氣體攜帶硬質(zhì)微粒接連轟擊金屬表面，其工藝參數(shù)如下噴射距離5～50mm、氣體壓力0.4～3.0MPa、氣體溫度為室溫、氣體流量10～30g/s、送粉電壓5～30V，硬質(zhì)微粒粒徑為50納米～200微米；所述壓縮氣體為空氣或氮?dú)?，所述硬質(zhì)微粒為α-Al2O3、SiO2、BN、WC等。
本發(fā)明原理是利用壓縮氣體攜帶硬質(zhì)微粒，通過超音速噴嘴高速運(yùn)動(dòng)轟擊金屬材料表面，其中氣體加速到300～1200m/s，硬質(zhì)微粒以很高的動(dòng)能接連轟擊金屬表面引起表面嚴(yán)重塑性變形產(chǎn)生大量位錯(cuò)、孿晶或亞晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致晶粒細(xì)化，最終形成納米晶。
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如下1.本發(fā)明可有效地降低金屬零件表面上的晶粒尺寸，在整個(gè)金屬零件的表面上形成一層與基體材料化學(xué)成分完全相同的、晶粒尺寸為二十納米左右的顯微組織，材料表面納米結(jié)構(gòu)的厚度范圍為0.5～50微米，其具有納米結(jié)構(gòu)特征的表層，足以保證金屬零件能獲得力求達(dá)到的特性，例如希望的機(jī)械性能(疲勞、耐磨擦損性、應(yīng)力下的耐蝕性)。
2.本發(fā)明可以對(duì)形狀復(fù)雜或大平面的工件進(jìn)行表面納米化處理，且納米層分布均勻。
3.本發(fā)明操作簡單、能耗少、成本低、生產(chǎn)效率高，表面納米化速率為1-10cm2/min。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所用裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中送粉器結(jié)構(gòu)放大圖。
圖3為圖1中超音速噴嘴結(jié)構(gòu)放大圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例2所用裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1基體材料316L不銹鋼管，硬質(zhì)微粒采用α-Al2O3(50μm左右)，具體步驟如下1.基體前處理采用常規(guī)方法表面拋光、丙酮、酒精清洗；2.表面納米化噴射距離15mm、氣體壓力1.75MPa、氣體流量為20g/s、送粉電壓15V，氣體溫度室溫、轟擊時(shí)間6分鐘，經(jīng)X-射線衍射、原子力顯微鏡測(cè)試，基體表面晶粒尺寸由平均18微米細(xì)化到平均14納米；采用如圖1、2、3所示裝置，由超音速噴嘴6、送粉器3、工作室4、微?；厥昭b置5、控制器2組成，其中，超音速噴嘴6安裝在工作室4入口處，控制器2與帶有儲(chǔ)氣罐11的空氣壓縮機(jī)1管路連接，并通過送粉開關(guān)22、壓力調(diào)節(jié)開關(guān)21分別與送粉器3、超音速噴嘴6相連，工作室4出口加設(shè)微?；厥昭b置5；所述超音速噴嘴6通過管道與送粉器3連接，由收縮段61、喉部62、擴(kuò)張段63三部分構(gòu)成，所述收縮段61為亞音速段，為維托辛基曲線形光滑連續(xù)收縮結(jié)構(gòu)，與喉部62過渡連接，所述擴(kuò)散段63為超音速段軸對(duì)稱位流式結(jié)構(gòu)，與喉部62過渡連接，它包括初始膨脹段631和消波段632，初始膨脹段631為光滑連續(xù)過渡結(jié)構(gòu)，其間為泉流區(qū)，消波段632為平行于軸線的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其間為均勻區(qū)，所述收縮段61與混合室64相連，其混合室64通過安裝在其上的過渡管件與送粉器3相連接；所述送粉器3由具有密封蓋32的裝粉室31、壓縮空氣入氣口A、B(33、33′)、安裝在裝粉室31下方的轉(zhuǎn)鼓34、微粒出口35構(gòu)成，所述裝粉室31壁上設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立的壓縮空氣入氣口A、B(33、33′)，一個(gè)在裝粉室31上方，一個(gè)在轉(zhuǎn)鼓34下方，分別經(jīng)控制器2與儲(chǔ)氣罐11相連，再至空氣壓縮機(jī)1，裝粉室31壁上另設(shè)一與超音速噴嘴6管路連接的微粒出口35，轉(zhuǎn)鼓34上所設(shè)的溝槽與轉(zhuǎn)鼓34和壁之間的間隙構(gòu)成壓縮空氣入氣口B(33′)至微粒出口35之間的通道；所述控制器(2)通過其上的壓力表(24)分別與所述送粉器(3)、超音速噴嘴(6)相連，通過電壓表(23)與送粉器(3)連接。
其工作過程如下以壓縮空氣或氮?dú)鉃閯?dòng)力源，由控制器2控制，通過管道使壓縮氣體送進(jìn)送粉器3，微粒被加熱的氣體攜帶進(jìn)入超音速噴嘴6，超音速噴嘴6實(shí)現(xiàn)噴涂過程中給微粒加速，通過高速運(yùn)動(dòng)到達(dá)基體表面，微粒粒子高速運(yùn)動(dòng)轟擊基體表面，在工作室4中對(duì)基材進(jìn)行轟擊，硬質(zhì)微粒以很高的動(dòng)能接連轟擊金屬表面引起表面嚴(yán)重塑性變形產(chǎn)生大量位錯(cuò)、孿晶或亞晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致晶粒細(xì)化，最終形成納米晶，處理后的納米層厚度可達(dá)0.5-50微米；多余的微粒通過微?；厥昭b置5回收利用，整個(gè)過程由控制器2控制完成。
其超音速噴嘴的設(shè)計(jì)原理由流體力學(xué)公式給出，對(duì)一維定常流動(dòng)，考慮可壓縮流體，則有v2/2+K/K-1·P/ρ＝常 (1)ρ·v·S＝常 (2)P/ρk＝常(3)由上面三個(gè)公式，可求得ds/s＝(M2-1)dv/v (4)式中S管道截面積；M＝v/v聲(馬赫數(shù))；ρ氣體密度；K氣體常數(shù)；P氣體壓力；v氣體流速。由公式(4)可知，當(dāng)v＞v聲，則dv符號(hào)與ds符號(hào)相同。即隨管道截面積變大(ds為正值)，流體速度增大。當(dāng)v＜v聲則dv符號(hào)與ds符號(hào)相反，即隨管道截面積變小(ds為負(fù)值)，流體速度亦增大。因此，經(jīng)過足夠收縮，流體速度可在管道喉部截面處達(dá)到聲速，經(jīng)過此截面后，將獲得超音速。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同處在于基體材料為碳鋼試片，硬質(zhì)微粒采用WC(～50μm)，具體步驟如下1.基體前處理表面拋光，丙酮、酒精清洗；2.表面納米化噴射距離15mm、氣體壓力2MPa、氣體溫度室溫、轟擊時(shí)間2分鐘，氣體流量為25g/s，送粉電壓16V，經(jīng)X-射線衍射、原子力顯微鏡測(cè)試，表面晶粒尺寸由平均12微米細(xì)化到平均20納米；采用如圖4所示裝置，該裝置為俄羅斯專利，專利號(hào)分別為1674585(1991)、1603581(1993)、1618778(1993)、1773072(1993)、2010619(1994)；其中送粉器3與超音速噴嘴6連為一體，采用電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓，通過轉(zhuǎn)鼓34推動(dòng)微粒進(jìn)入氣體微?；旌鲜?，在送粉器的下端有一個(gè)壓縮氣體入口，并通過兩個(gè)出口分別將氣體導(dǎo)入送粉器。
本發(fā)明亦可采用SiO2、BN為硬質(zhì)微粒，對(duì)其它金屬材料表面進(jìn)行超聲速微粒轟擊。
權(quán)利要求
1.一種超聲速微粒轟擊金屬材料表面納米化方法，其特征在于是采用壓縮空氣攜帶硬質(zhì)微粒，通過超聲速噴嘴噴射于金屬材料表面，具體步驟如下1)基體前處理常規(guī)的表面拋光，丙酮、酒精清洗；2)表面納米化采用壓縮氣體攜帶硬質(zhì)微粒接連轟擊金屬表面，表面納米化工藝參數(shù)如下噴射距離5～50mm、氣體壓力0.4～3.0MPa、氣體溫度為室溫、氣體流量10～30g/s、送粉電壓5～30V，硬質(zhì)微粒粒徑為50納米～200微米。
2.按照權(quán)利要求1所述超聲速微粒轟擊金屬材料表面納米化方法，其特征在于壓縮氣體為空氣或氮?dú)狻?br> 3.按照權(quán)利要求1或2所述超聲速微粒轟擊金屬材料表面納米化方法，其特征在于所述硬質(zhì)微粒為α-Al2O3、SiO2、BN、WC。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬材料表面納米化領(lǐng)域，具體地說是超聲速微粒轟擊金屬材料表面納米化方法。本發(fā)明利用壓縮氣體攜帶硬質(zhì)微粒，通過超音速噴嘴高速運(yùn)動(dòng)轟擊金屬材料表面，具體為1)基體前處理常規(guī)的表面拋光，丙酮、酒精清洗；2)表面納米化采用壓縮氣體攜帶硬質(zhì)微粒接連轟擊金屬表面，表面納米化工藝參數(shù)如下噴射距離5～50mm、氣體壓力0.4～3.0MPa、氣體溫度為室溫、氣體流量10～30g/s、送粉電壓5～30V，硬質(zhì)微粒粒徑為50納米～200微米。本發(fā)明可以對(duì)形狀復(fù)雜或大平面的工件進(jìn)行表面納米化處理，且納米層分布均勻，處理后的納米層厚度可達(dá)0.5－50微米；另外，本發(fā)明裝置簡單、成本低、生產(chǎn)效率高。
文檔編號(hào)C23C24/00GK1410560SQ0112822
公開日2003年4月16日 申請(qǐng)日期2001年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月29日
發(fā)明者熊天英, 李鐵藩, 吳杰, 金花子, 吳敏杰, 陳金生, 李鳴 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所