[发明专利]爆炸制备金属材料表面纳米层的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及平面或任意曲面金属材料表面纳米层制备方法，特别是提供了一种利用炸药作为能源的在金属表面自生纳米层的方法。

背景技术：

纳米晶体材料是由小于100nm晶粒组成的单项或多项晶体材料，由于晶粒极其细小，界面密度高，当晶粒尺寸小到几个纳米时，界面密度可达1019/cm²。因此纳米晶体材料又可视为纳米晶粒和晶界两种组元构成的“界面材料”。由于纳米晶体材料这种有别于常规多晶体材料和非晶态固体材料的独特结构特征，表面纳米化后的金属材料具有特殊的表面力学、物理、及其化学特性，在工业领域中具有重要应用价值。

由于常用工业金属材料在服役期间，材料的破坏和失效一般均始于表面，如磨损、腐蚀、疲劳断裂等，因此材料表面结构性能的优劣直接影响工程金属材料的综合性能指标。将常规工程金属材料表面制备出纳米结构层，可大大提高工程金属材料综合性能及服役能力。

目前，在块状粗晶材料上获得纳米结构表层的基本方式主要有三种：表面涂层或沉积、表面自身纳米化；混合纳米化方式。①表面涂层和沉积制备的材料主要特征是，纳米结构表层的晶粒大小比较均匀，表层与基体之间存在着明显的界面，外形尺寸与处理前相比有所增加，纳米层极易脱落；②表面自身纳米化的主要特征是晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大，纳米结构表层与基体之间没有明显的界面，处理前后外形尺寸基本不变，纳米层不易脱落。③混合纳米化技术是将表面纳米化技术与化学处理相结合，在纳米结构表面层形成时或形成后对材料进行化学处理，在材料表层获得与基体化学成分不同的固溶体或化合物。

发明内容：

本发明目的是提供一种通过应用炸药爆炸能量进行材料表面自身纳米化制备方法。主要原理是通过炸药产生的爆炸冲击载荷作用下使平面或曲面材料表面与刚性基座发生高速撞击而一次引入大量高速率强烈塑性变形，瞬间使整块材料表层产生大量位错、孪晶、层错和剪切带等内部缺陷，获得表面为纳米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大的梯度纳米结构层，纳米层不脱落。此方法制备的纳米结构层具有面积大、层厚大、表面光洁、制备效率高、处理前后材料尺寸基本不变等特点，且制备过程快捷、高效，易于材料表面纳米化的工业应用。

本发明提供了爆炸制备平面或任意曲面金属材料表面纳米层方法，其主要特征在于：以炸药的化学能为能源，通过金属材料表面与刚性基座的强烈撞击过程完成金属材料表面纳米层的制备，其中，炸药爆炸所引发的材料撞击过程可以将炸药化学能有效转化为材料表面制备纳米层所需强烈塑性变形能，该方法可以包括如下步骤：

(1)所述平面或曲面金属材料具有上下表面或内外表面，将待处理的金属材料通过支撑物设置在刚性基座上端或内端或外端，使所述金属材料的下表面朝向所述刚性基座的上表面或所述金属材料的外表面朝向所述刚性基座的内表面或所述金属材料的内表面朝向所述刚性基座的外表面，并且所述金属材料的下表面与所述刚性基座的上表面、或所述金属材料的外表面与所述刚性基座的内表面、或所述金属材料的内表面与所述刚性基座的外表面间保持一定间隙；

(2)在所述的待处理的平面或曲面金属材料的上表面或内外表面设置炸药层，所述炸药层的使用量为达到碰撞压力在10GPa以上；

(3)起爆炸药，利用炸药爆炸产生的冲击载荷作用于平面或曲面材料上表面或内外表面，利用材料与基座间的间隙使材料加速并获得大于600m/s的速度与刚性基座进行高速撞击，从而诱发平面或曲面材料撞击表面产生纳米层。

在上述方法中，由于炸药能量巨大，以及爆炸过程的瞬时性使平面或曲面金属材料表面在高应变速率条件下产生强烈塑性变形，并且可以通过对炸药层厚度的控制来实现对塑性变形能的有效控制，所以这种能量形式与控制范围是其他能量形式所无法比拟的；材料与基座间隙值是根据材料厚度与炸药层厚度的不同进行具体确定，一般材料与基座间隙值为：s≥0.2(δ+h)，其中δ为材料厚度、h为粉状乳化炸药层厚度；