[发明专利]一种镍基材料表面机械性能的强化处理方法

说明书

本发明公开了一种镍基材料表面机械性能的强化处理方法，通过球磨使镍基材料的基体与合金粉末机械合金化后，利用强流脉冲电子束对基体表面进行若干次辐照处理，使得基体表面的合金层熔化再冷却，形成高结合度的致密合金层。本发明采用的结合技术方案成本较低、周期短、效率高且操作工艺简单，对镍基合金的实际应用有极其重要的作用。电子束辐照可以弥补球磨后镍基体表面不平整的问题，球磨可以提高一般电子束合金化预置方式下的合金浓度，达到大量合金化元素渗入基体的效果，熔融区发生某些物理变化或化学反应，通过快速冷却和定向凝固过程，最后在基体表面形成一层具有特殊性能且成分分布均匀的合金层。

技术领域

本发明涉及一种镍基材料表面处理方法。

背景技术

目前，对于金属材料表面改性的技术大体上可分为两类：涂层技术和表面合金化技术。表面合金化技术主要通过激光重熔、电子束辐照、搅拌摩擦加工等技术。

搅拌摩擦加工是利用搅拌头和工件之间的摩擦产热作为能量源，通过机械加工的方法来实现材料的表面改性；但是基体材料经搅拌摩擦加工后，材料表面会变得相对粗糙，制备出的产品需要经过后期处理，且该工艺对加工工件的厚度有限制，不能加工太薄的板，同时搅拌针不能太短。

激光和电子束表面合金化更为高效且更具有应用前景，容易制备出性能非常优越的涂层。激光表面合金化手段可以对材料表面进行局部处理，且冷却速度快、工作效率高、工件变形小、清洁无污染等优点，但激光束加工存在能量利用效率低(约10%)的最大缺陷，制备的合金层高低起伏，粗糙度较大，同时由于激光器的脉冲宽度相对较大，不利于形成远离平衡态的加工条件。

电子束作为一种高能量密度载能束在材料加工方面担当着十分重要的角色，被应用于打孔、铣切、焊接、镀膜、表面处理(表面净化、表面自淬火和表面合金化等)、物理气相沉积等多个领域。可使材料表面晶粒细化，产生大量缺陷结构；通过引入新元素可在材料表层形成过饱和固溶体、金属间化合物和亚稳相等结构，显著提高材料表面的机械和电化学等性能，从而增加材料的服役寿命，节约成本，拓展材料的应用范围。

镍基合金是应用于燃烧动力系统等高温环境的典型材料，服役环境复杂而苛刻，失效行为常常是多种因素综合作用的结果，如疲劳、蠕变、氧化和热腐蚀等。因此，开发电子束表面处理工艺对于镍基材料的应用具有重要价值。

目前利用强流脉冲电子束对镍基材料进行表面合金化改性处理，使用的预置方法都是将合金粉末与粘结剂混合，然后涂敷在基体表面，等干燥后进行辐照处理。这种方法带来的问题是涂敷的粉末在HCPEB 辐照时由于粘结剂不耐高温，且混合剂与基体表面结合力不够强，合金粉末很容易发生溅射损耗，其结果是辐照表层中合金化元素含量不高，合金化元素利用率低下，因此较难形成稳定的、高结合度的、具有一定厚度的合金强化层。此外，对于原子半径差距较大的两种元素，二元合金的固溶度随着差距的增大而降低，常见的合金手段难以突破固溶度的限制。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种镍基材料表面机械性能的强化处理方法，提高利用强流脉冲电子束对镍基材料进行表面合金化改性处理的效果。

技术方案：一种镍基材料表面机械性能的强化处理方法，包括：通过球磨使镍基材料的基体与合金粉末机械合金化后，利用强流脉冲电子束对基体表面进行若干次辐照处理，使得基体表面的合金层熔化再冷却，形成高结合度的致密合金层。

进一步的，在球磨前，先将镍基材料的基体在700℃退火4小时，然后进行机械研磨和抛光，研磨采用的砂纸依次为150、400、800，1000、1500、2000和2500目，抛光采用的抛光剂选择粒度为0.5 μm的金刚石抛光剂，最后用丙酮和无水乙醇超声清洗后备用。

进一步的，合金粉末选用纯度为99.9%的锡粉，球磨时，球磨罐内的不锈钢磨球与锡粉的质量比为10:1，罐内预充氩气，以转速200-300 r/min球磨2-3小时。