一種基于仿生結(jié)構(gòu)的表層梯度合金鋼材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料表面技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于仿生結(jié)構(gòu)的表層梯度合金鋼材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然生物材料由于長(zhǎng)期進(jìn)化，形成了適應(yīng)環(huán)境的精細(xì)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，這為進(jìn)行材料的制備和表面改性提供了天然的構(gòu)思，其中仿生梯度材料已在全世界引起廣泛關(guān)注。與其它仿生材料不同的是梯度材料的結(jié)構(gòu)或組成成分逐漸過(guò)渡變化，如木材是天然復(fù)合梯度材料，就徑向結(jié)構(gòu)看，從髓心至樹(shù)皮，管胞和木纖維的長(zhǎng)度逐步增長(zhǎng)，木材密度和纖維組織也逐漸增加，具有明顯的梯度特征，木材具有跨越不同尺度的多級(jí)微觀結(jié)構(gòu)，仿生梯度材料相鄰尺度的自組織結(jié)構(gòu)在受力時(shí)相互牽制，從而表現(xiàn)出更突出的力學(xué)性能，如強(qiáng)韌、耐磨、耐腐蝕等，其共同特點(diǎn)是最強(qiáng)表層承受最高的應(yīng)力。因此，通過(guò)借鑒木材、骨骼、牙齒等生物“內(nèi)疏外密”特性，對(duì)工件表面進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高工件的服役壽命具有非常廣泛的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
[0003]目前獲得梯度結(jié)構(gòu)表層有表面涂層或沉積、表面劇烈形變等方法，其中表面劇烈形變方法獲得的多尺度組織結(jié)構(gòu)之間無(wú)明顯界面，其梯度更加均勻。表面劇烈形變方法主要有表面機(jī)械研磨、超聲或高能噴丸、噴砂和滾壓等，然而，這些表面劇烈形變方法獲得梯度組織結(jié)構(gòu)層的厚度較低，在惡劣環(huán)境下使用壽命較短，且梯度合金元素多以化合物形式存在，導(dǎo)致強(qiáng)度有余而耐腐蝕性能、耐熱性能、抗氧化性能等提高效果不明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明提供了一種基于仿生結(jié)構(gòu)的表層梯度合金鋼材料的制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中表面劇烈形變獲得梯度合金鋼材料的梯度層偏低和梯度合金元素存在形式單一的問(wèn)題。
[0005]技術(shù)方案:為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種基于仿生結(jié)構(gòu)的表層梯度合金鋼材料的制備方法，包括以下步驟:
步驟a、表面預(yù)處理:對(duì)試件表面進(jìn)行砂紙粗磨、細(xì)磨、拋光、稀硝酸/鹽酸浸蝕，酒精清洗，晾干。
[0006]步驟b、大應(yīng)力應(yīng)變劇烈沖擊形變處理:使用沖擊裝置將試件進(jìn)行連續(xù)沖擊處理，所述沖擊頻率為20~80次/秒，沖擊能為1~3J，沖擊端移動(dòng)速率為l~5s，沖擊端曲率半徑為l~4mm，沖擊時(shí)間為5~30min。
[0007]步驟c、回復(fù)處理:將步驟b中經(jīng)過(guò)沖擊處理的試件置于真空退火爐中回復(fù)處理，真空退火爐內(nèi)的溫度為400~600°C，保溫3~12小時(shí)。
[0008]進(jìn)一步的，所述步驟a中的試件材料為碳鋼、合金鋼、鑄鐵或有色金屬材料。
[0009]進(jìn)一步的，所述步驟a之后先將試件預(yù)熱處理，即將步驟a中經(jīng)過(guò)表面預(yù)處理的試件放入真空熱處理爐中預(yù)熱處理。
[0010]進(jìn)一步的，所述預(yù)熱處理的溫度為200~400°C，并保溫10~30min。
[0011]進(jìn)一步的，所述步驟b大應(yīng)力應(yīng)變劇烈沖擊形變處理前，在試件表面上覆蓋金屬或合金粉末。
[0012]進(jìn)一步的，在未進(jìn)行步驟c回復(fù)處理之前，覆蓋厚度為3mm金屬或合金粉末于沖擊處理后的試件表面。
[0013]進(jìn)一步的，所述金屬或合金粉末為鉻、鎳、招、鉬、媽、銀、鈦、銀、碳化物中一種或多種的混合物。
[0014]有益效果:本發(fā)明利用大應(yīng)力應(yīng)變劇烈沖擊形變方法誘發(fā)試件大量晶體結(jié)構(gòu)缺陷和溫度提高，在應(yīng)力-熱耦合效應(yīng)下，增強(qiáng)元素?cái)U(kuò)散行為，形成具有“內(nèi)疏外密”的仿生梯度組織結(jié)構(gòu)；本發(fā)明基于自然界“內(nèi)疏外密”仿生結(jié)構(gòu)，利用大應(yīng)力應(yīng)變沖擊劇烈形變方法，選取合適工藝參數(shù)，可使合金鋼材料表層形成微納梯度顯微組織結(jié)構(gòu)，從最表層至心部，晶粒尺寸、碳化物含量、固溶度、合金元素含量呈逐漸變化，過(guò)度連續(xù)、梯度均勻，沒(méi)有明顯界面層，也不出現(xiàn)開(kāi)裂和剝落等缺陷。此外，梯度層的厚度較高，不低于300 μ m，且在梯度層內(nèi)合金化程度較高，特別是固溶度提高顯著。因此，梯度層表現(xiàn)出良好強(qiáng)韌性和其它性能，如耐磨損性能、耐腐蝕性能、耐熱性能、抗氧化性能等。大應(yīng)力應(yīng)變沖擊形變?cè)O(shè)備可手持操作，也可結(jié)合自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化操作，對(duì)金屬試件尺寸沒(méi)有限制，其工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)安全，成本低廉。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1碳鋼20g鋼板表面覆蓋Cr粉經(jīng)劇烈沖擊和真空退火450°C X 9hrs后的樣品橫截面掃描電子顯微鏡照片(JSM-6360LV，JE0L，日本)。
[0016]圖2碳鋼20g鋼板表面覆蓋Cr粉經(jīng)劇烈沖擊和真空退火450°C X9hrs后的樣品橫截面Cr元素分布照片(GENESIS2000XMS60，EDAX，美國(guó))。
[0017]圖3碳鋼20g鋼板表面覆蓋Cr粉經(jīng)劇烈沖擊和真空退火450°C X9hrs后的樣品表面 XRD 圖片(UltimalV，Rigaku，日本)。
[0018]圖4碳鋼20g鋼板表面覆蓋Cr粉經(jīng)劇烈沖擊和真空退火450°C X 9hrs后的樣品表面層硬度分布。
[0019]圖5 Cu30Ni合金表面劇烈沖擊和真空退火350°C X5hrs后的樣品晶粒尺寸和硬度與距表面距離的關(guān)系。
[0020]圖6 Cu30Ni合金表面劇烈沖擊和真空退火350°C X 5hrs后的樣品與原始材料的極化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0022]實(shí)施例1
將厚度為10mm的鍋爐用鋼20g鋼板表面用50號(hào)SiC砂紙逐漸細(xì)磨至10號(hào)SiC砂紙后，拋光處理，再用稀硝酸浸蝕，最后用酒精沖洗晾干。把表面處理好的鋼板線切割成20mmX 20mmX 10mm試樣，將試樣先放入真空熱處理爐中350°C預(yù)熱20min，將試樣快速取出放入固定試樣模具中固定后，表面覆蓋75μπι粒度(200目)的3.5N純Cr粉，使用沖擊裝置持續(xù)對(duì)試樣表面進(jìn)行沖擊，沖擊端部曲率半徑為2mm，沖擊時(shí)間15min，沖擊能量為1.5J，沖擊速率為50次/秒，同一位置連續(xù)沖擊即沖擊端移動(dòng)速率為2s，在沖擊過(guò)程中適時(shí)加入Cr粉末。沖擊完成后去除殘留的Cr粉，用酒精清洗沖擊表面，隨后在沖擊表面覆蓋厚度3mm的Cr粉末層，然后放入真空退火爐中450°C保溫9小時(shí)，隨爐冷卻后取出，去除表面的殘留Cr粉，再用酒精清洗。對(duì)上述制備的樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察，其橫截面SEM圖如圖1所示，從圖1可看出該試樣從最表面至心部的組織結(jié)構(gòu)依次為:合金化層(納米晶)、晶粒細(xì)化層、塑性變形層，其晶粒尺寸從最表層的60nm逐漸增加至基體的10 μ m，其梯度層厚度350 μ m，即在處理后表面晶粒尺寸呈梯度變化。對(duì)上述制備的樣品進(jìn)行能譜分析，其橫截面的Cr元素分布如圖2所示，從圖2可看出從最表面往內(nèi)部，Cr元素含量從14wt%逐漸降低，即在處理后樣品表面Cr元素含量呈梯度變化。對(duì)上述制備的樣品進(jìn)行X射線衍射分析，其表面的物相分布如圖3所示，從圖3可看出樣品表面Cr元素大部分以固溶體(a -Fe(Cr))形式存在，另一小部分以化合物Cr7C3形式存在。對(duì)上述制備的樣品進(jìn)行硬度測(cè)試，其表層硬度變化如圖4所示，從圖4可看出，從最表層往內(nèi)部，硬度從290Hv逐漸降低至170Hv，即在處理后樣品表層硬度呈梯度變化。
[0023]實(shí)施例2
將厚度為15mm的Cu30Ni合金板表面