[发明专利]一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法

说明书

本发明涉及了一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法，即先采用激光冲击强化技术诱导较深厚度的塑性变形层，然后采用表面机械研磨处理使金属工件表面纳米化，最终获得理想层厚和优化微结构分布的金属工件表层梯度纳米结构。本发明可以获得理想层厚和优化微结构分布的表层梯度纳米结构，同时显著改善金属工件的表面粗糙度，该技术能突破强度‑塑性“倒置关系”，确保良好塑性和较高强度并存，大幅度提高金属工件的疲劳寿命、耐磨性能等综合力学性能。本发明能在铝合金、钛合金、镁合金、不锈钢、镍基高温合金等金属工件表层诱导梯度纳米结构，可以应用到航空航天、汽车轮船、化工等行业金属关键重要部件的强化、修复等多个领域。

技术领域

本发明涉及表面工程技术与激光加工技术领域，具体涉及一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法。

背景技术

纳米金属材料具有强度和硬度高、物理性能、磨损性能和热加工性能好等优势。在不改变材料化学成分的前提下，结构纳米化可使材料强度和硬度提高数倍或数十倍。2016年美国军方公布的《2016-2045新科技趋势报告》提出了20项最值得关注的科学技术，先进材料尤其纳米材料制备与性能研究位居其中。伴随着强度和硬度的显著提高，纳米结构材料的塑性和韧性明显降低、加工硬化能力消失、结构稳定性变差，上述不足制约了纳米结构材料的应用和发展。随着工程结构向高强度和轻量化的发展，传统的均一材料，比如粗晶材料和纳米晶材料，都已无法满足工程结构件在极端服役环境下的性能要求。中科院金属研究所卢柯院士的研究表明：金属材料的强度增加是以牺牲粗晶或者纳米晶的塑性为代价，纳米晶–粗晶混合材料的强度–塑性综合性能不高。但梯度纳米材料表现出优良的强度/塑性综合性能。显然，基于塑性变形构筑的梯度纳米结构镁合金，具有细晶与粗晶的综合特征，能有效克服纳米结构低塑性和低韧性的缺陷，明显提升金属材料的强度、耐磨性以及热稳定性，最大程度上提升了金属材料的综合性能。

激光冲击强化(laser shock peening,LSP)是一种新型的表面强化技术，主要是采用短脉冲(几十纳秒)、高峰值功率密度(10⁹W/cm²)的激光辐照在金属表面，激光束通过约束层之后被吸收层吸收，吸收层从而获得能量形成爆炸性气化蒸发，产生高温高压的等离子体，由于外层约束层的约束，等离子体形成高压冲击波从而向材料内部传播，利用冲击波的力效应在材料表层发生塑性变形，使得表层材料微观组织发生变化，达到细化晶粒的效果，甚至可以在熔点较低的金属材料(如镁合金、黄铜等)表层生成梯度纳米结构。且残余应力层深度可达1～2mm(是机械喷丸的5～10倍)，提高材料的强度、硬度、耐磨性和耐应力腐蚀性能。但是，由于吸收层的存在，激光不会烧蚀材料表面，也不会在材料表面产生高温，因此激光冲击强化只是利用了激光束的力效应，而没有热效应，属于冷加工。对于熔点较高的金属材料(如钛合金等)，其再结晶温度会相对较高，只在金属表层生成梯度亚微米结构。

表面机械研磨处理(SMAT)是一种最为行之有效的金属表层梯度纳米结构合成工艺。主要是通过弹丸在振动发生器作用下飞行并对金属表面进行高应变速率、方向随机、应变累计的塑性变形，表层应变量及应变速率随深度增大呈梯度减小，累计应变量随压入次数增多而增大，被撞击的表面产生塑性变形并形成由表及里尺寸变化的梯度纳米结构。由于弹丸对金属材料直接多方向冲击，弹丸与金属材料之间有微小的相对摩擦，产生热量，使得金属表层温度升高，可在熔点较高的金属材料(如钛合金等)表层生成梯度纳米结构。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，为了解决上述问题，本发明提出了一种在金属工件表层形成梯度纳米结构的组合方法。即先采用激光冲击强化技术诱导较深厚度的塑性变形层，然后采用表面机械研磨处理使金属工件表面纳米化，最终获得理想层厚和优化微结构分布的金属工件表层梯度纳米结构。

所述金属工件材料为铝合金、钛合金、镁合金、不锈钢、镍基高温合金等应用于航空航天、汽车轮船、化工等行业的关键重要部件的金属材料。