[实用新型]一种用于金属材料表面处理的超声波表面强化处理设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属材料的表面处理设备，特别涉及一种用于金属材料表面处理的超声波表面强化处理设备。

背景技术

金属材料的表面纳米化有各种各样的方法。利用严重塑性变形方法可使金属材料的微米晶粒细化形成超细晶或纳米晶，这类方法包括等通道转角挤压、高压扭转(HPT)、表面机械研磨(SMAT)和高能球磨(HEBM)等。其中表面机械研磨和高能球磨属于高应变率(ε &>103/s)的塑性变形方法。

表面机械研磨(SMAT)是近几年发展起来的一项新的表面纳米化技术。研究结果表明，在SMAT中由于受弹丸的高速、多方位重复冲击，材料表层的粗晶组织通过产生强烈的高应变率塑性变形而逐渐细化至纳米量级(10—30nm)。大量的TEM观察结果表明，SMAT在原始晶粒中引入了大量的位错、界面(晶界)等晶体缺陷，从而使晶粒发生破碎，其破碎程度取决于应变和应变率的大小。随着材料表层深度的减小，应变和应变率逐渐增加，从基体到表面可依次产生形变粗晶层、细化结构层和纳米结构层(厚度为10—50μm)。

在形变粗晶层中，材料的粗晶组织通常可产生位错、层错、孪晶等缺陷，以此来协调塑性应变；在细化结构层中，应变和应变率有所增加，位错(或孪晶)的数量增多，相互作用更加频繁，因而可形成小尺寸的位错胞或孪晶，同时其界面(晶界)的取向差也逐渐增大；而在纳米结构层中，应变和应变率急剧增加，位错胞尺寸或孪晶尺寸可进一步减小至纳米量级，通过位错湮灭和重组、亚晶界的演变或孪晶的重复交割可最终形成取向呈随机分布的纳米晶。

此外，材料在SMAT中的微观组织演化还受到变形金属层错能和晶体结构等因素的影响。例如，bcc结构的高层错能金属Fe，由于其变形受位错滑移的控制，随着材料表层深度的减小，在各类变形层中可依次形成位错墙和位错缠结、亚晶及纳米晶等一系列微观组织。

而具有fcc结构的AISI 304不锈钢，由于其低层错能性质限制了不全位错的交滑移，使得位错只能在各自的滑移面上运动，因而在形变粗晶层中可形成{111}平面的位错列、位错网格和层错；随着应变和应变率的增加，机械孪生开动，在细化结构层中可形成多系孪晶交割，并在孪晶交割处诱发马氏体相变。对于hcp结构的α-Ti、Co、Mg合金等材料，在形变粗晶层中以机械孪生变形为主，随着应变和应变率的增加，才逐渐产生位错滑移，同时伴有层错。可见，SMAT中金属材料变形的微观机制是应变、应变率、晶体结构、层错能等内外因素综合作用的结果。

除发生大晶粒破碎外，TEM的观察结果还表明，α-Ti、Co和Mg合金等材料在SMAT中均出现了晶界结构完整，“洁净”、无应变的等轴状纳米晶，研究人员认为这是发生了动态再结晶的结果。而对于动态再结晶机制，也有人持不同的看法。例如，Zhu等人认为是由于亚晶发生旋转(旋转再结晶)所致。动态再结晶的发生表明在SMAT中存在由高应变、高应变率塑性变形所导致的绝热温升，并且它对纳米晶组织的演化也产生了作用。在探求SMAT中金属材料的表面纳米化机理时，这一问题不可忽视。

值得注意的是，由于在SMAT中弹丸对样品表面施加的多方位重复载荷可促进晶体的多系滑移和多系孪生变形，从而大大提高了材料的纳米化程度。

高能球磨(HEBM)技术是1970年代由Benjamin等人提出的。它以简单、低成本和对材料的广泛适用性等优点，在纳米晶材料的研究与制备方面发挥了重要作用。在HEBM中，金属粉末受研磨球、研磨罐的频繁碰撞而产生变形、冷焊、断裂等过程。原始粗晶在高应变率(ε &>103/s)、多方向的重复载荷下可最终形成晶粒取向呈随机分布的纳米晶。

利用X射线衍射分析(XRD)测量晶粒尺寸的实验结果表明，球磨中粉末的平均晶粒尺寸通常有如下变化：在球磨初期，晶粒细化速度较快，晶粒尺寸迅速减小到某一值；进一步球磨，晶粒细化速度明显减慢，晶粒尺寸缓慢减小至某一稳态的晶粒尺寸；继续球磨，晶粒尺寸几乎不发生变化。通常，达到稳态后的晶粒尺寸在5—30nm范围。

此外，在2007年等人将球磨形成的纳米晶Fe粉放入异丙醇液体中进行超声分散，随后利用磁场和重力场的共同作用还从中采集到了更小尺寸的纳米颗粒(2—4nm)。