[发明专利]一种利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置

说明书

 

技术领域                                  

本发明属于表面薄膜材料技术领域，尤其涉及一种利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置。

背景技术

自20世纪纳米材料问世以来，其展现出的远比传统材料优越的各项性能如高强度、高扩散系数、高耐磨性、良好的电学和磁学性能等，吸引着人们不断探索和研究更为优异的纳米材料的制备方法。然而，目前主流的块体金属纳米材料的制备方法仍存在很多不足。原位生成法（In-situ Synthesis）的工艺设备复杂，产量极低，很难满足性能研究及应用的要求；强烈塑性变形法（Severe Plastic Deformation）如等通道挤压、高压扭转、多向锻打/压缩技术、循环挤/压技术等，往往因为应变量和应变率有限，只能细化晶粒至亚微米量级；机械合金化法（Mechanical Alloying）和粉末冶金法（Powder Metallurgy）在制备过程中极易产生杂质、污染、氧化及应力；非晶晶化法（Crystallization of Amorphous）局限于化学成分上能够形成非晶结构的材料，且难以获得大块材料。

但是，金属材料的失稳如疲劳、腐蚀等，往往始于表面。因此采用金属材料表面强化的方法，在不改变基体特性的同时细化材料表面的晶粒至纳米尺度，有望避免块体纳米材料制备过程中所遇到的困难，同时也能大幅提高金属材料的性能，使其满足使用要求。此外，对于整体纳米结构材料，实现强度提升的同时，会导致塑性和韧性的降低，而卢柯等人在《Science》期刊发表的研究结果表明，与整体纳米结构不同，表面梯度纳米结构有望获得强度和韧性的良好配合。

虽然人们已知形变诱导金属材料结构纳米化的基本原理是通过强塑性变形在晶粒内部产生大量的位错，导致晶粒的破碎和不断细化，但对其关键机理还缺乏足够认识，如晶粒细化机理和晶粒尺寸的控制条件。同时，表面粗糙度较高且变形不均匀也是亟待解决的问题。

授权公告号为CN 1236075C的中国发明专利公开了一种机械强力喷丸表面纳米化方法，该方法通过钢丸撞击工件使其表面产生塑性变形，形成纳米晶层。该方法存在纳米晶层表面粗糙度较高、变形层不均匀、噪音污染严重等问题。

授权公开号为CN102321791A的中国发明专利公开了一种利用滑动摩擦实现金属材料表面纳米化的方法，该方法通过摩擦机构在金属表面进行滑动摩擦而实现金属表面纳米化。该方法存在生产效率低、难以应用到工程实际当中等缺点。

与此同时，现有的金属材料表面纳米化方法，都因为变形模式较为复杂，表面纳米层的厚度及晶粒尺寸等结构参量受多种工艺参数影响，导致材料结构控制的难度和材料性能的难重复性，同时表面纳米层厚度不足，因而难以实现表面梯度纳米晶层的可控制备。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置，采用该装置可制备厚度和晶粒尺寸可控且变形均匀、表面光滑的梯度纳米层。

本发明的原理为：利用液压系统给滚轮压头加压，使滚轮压头上镶嵌的滚针压入金属材料表面，再由旋转工作台带动金属材料旋转，让滚针在金属材料表面滚动，使金属材料表面产生强烈塑性变形，导致晶粒不断细化，最终实现表面梯度纳米化。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

利用滚压变形制备金属材料表面梯度纳米层的装置，包括旋转工作头、液压系统和滚轮压头，其中：

旋转工作台包括电动机（3）、底座（5）、工作台台面（7）和夹具（8），夹具（8）设于工作台台面（7）上，工作台台面（7）固定于底座（5）上，电动机（3）连接工作台台面（7）用来驱动工作台台面（7）旋转；

液压系统包括液压机、动力系统和电气控制系统（17），动力系统用来给液压机提供动力，电气控制系统（17）用来控制液压机的运行与停止；

滚轮压头包括压头底座（9）和镶嵌于压头底座（9）上的滚针（2），液压机用来驱动压头底座（9）并将镶嵌其上的滚针（2）压入夹持于夹具（8）上的金属材料样品表面，所述的滚针（2）材料硬度大于金属材料样品硬度。

上述旋转工作台还包括支架（4），底座（5）固定于支架（4）上。

上述夹具为（8）为长方体形凹槽。