[发明专利]一种金属材料激光喷丸纳米复合表面处理方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及金属材料的表面改性技术领域，特指一种金属材料激光喷丸纳米复合表面处理方法。

背景技术

金属零部件在实际应用过程中会受到各种载荷的作用，这种长期的载荷作用将会导致其发生失效。零部件失效通常发生于其表面，因此，表面强化是延长其使用寿命的重要手段。激光喷丸是一种新型的金属材料表面改性技术，已广泛应用于各种金属零部件的表面强化，得到很好的效果。激光喷丸是通过高能纳秒脉冲激光诱导产生的高压冲击波使材料表面发生强烈塑性变形，改变材料表面微观组织和应力状态来提高材料表面性能的方法。研究表明，激光喷丸能够有效细化金属材料表面微观组织，产生高而深的残余压应力，显著提高材料表面性能，如硬度、耐磨性、耐腐蚀性能、抗疲劳性能等。

纳米材料具有优异的力学性能，因此，将其作为增强相加入金属材料中能够起到显著的强化作用。而且随着纳米增强相尺度的减小和体积分数的增加，强化效果逐渐增大。基于此，发展了纳米颗粒增强复合表面来提高金属材料的表面性能。专利号为JP2006-017502的专利申请提出了通过弹丸机械撞击制备纳米颗粒增强复合表面的方法，以提高材料的表面性能。但该方法冲击力较小，应变率较低，不宜制备较厚颗粒增强复合表面，效率也较低，而且难以处理形状复杂的零部件。随着激光喷丸技术的发展，其表面改性的应用范围也得到拓展，逐渐发展了基于激光喷丸的纳米涂层制备技术。专利号为CN101787528B和CN101736214B的专利申请介绍了通过激光喷丸将纳米颗粒植入材料表面提高其表面性能的方法和装置。这是与本发明最接近的专利申请，但是与本发明有许多本质不同。首先，本发明采用结合了表面微造型和激光喷丸的预注式激光喷丸方法制备纳米复合表面层，即先在金属材料表面加工微沟槽，将纳米颗粒预注入其中，然后覆盖一薄层金属，再进行激光喷丸处理；而专利号为CN101787528B和CN101736214B的专利申请均是直接将纳米颗粒铺于材料表面进行激光喷丸。其次，本发明可以制得纳米颗粒分布更均匀的纳米颗粒增强复合表面，而且其厚度更厚，远大于现有方法制得的几微米的厚度，更好的增强材料表面性能。最后，现有方法进行激光喷丸时，容易引起预涂纳米颗粒层的脱落和飞溅，导致纳米颗粒增强层不连续和纳米颗粒分布不均匀；本发明采用预注式激光喷丸方法可以在微沟槽与表面覆盖的薄层金属的互相联动下，有效地约束纳米陶瓷颗粒，避免这种现象的发生。

针对现有方法存在的问题，本发明从制备工艺入手，提出一种金属材料激光喷丸纳米复合表面处理方法，采用表面微造型与激光喷丸相结合的预注式激光喷丸方法制备纳米颗粒增强复合表面，主要是通过激光诱导的超高压冲击力使预注入微沟槽的纳米陶瓷颗粒在微沟槽与覆盖薄层金属的联动约束下嵌入微沟槽底部和两侧壁的基体金属及覆盖的薄层金属中，同时使上表面覆盖的薄层金属在强塑性变形驱动下冷焊到金属材料表面，最终获得表面晶粒细小、纳米陶瓷颗粒分布均匀、残余压应力高而深、厚度大的复合表面，产生细晶强化、纳米强化和形变强化的协同强化作用，显著提高金属材料表面性能。此工艺过程简单，无污染，易操作，适合于大规模批量化生产。因此，通过本发明可以在金属材料表面制备出高厚度高性能的均匀纳米颗粒增强复合表面，满足实际应用的需求。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种金属材料激光喷丸纳米复合表面处理方法，其结合激光喷丸与纳米材料的优势，采用表面微造型与激光喷丸相结合的预注式激光喷丸方法处理金属材料表面，通过超高压冲击力使上表面覆盖的薄层金属在强塑性变形驱动下冷焊到金属材料表面，同时使预注入微沟槽的纳米陶瓷颗粒嵌入表面的薄层金属中以及微沟槽底部和两侧壁的基体金属中，获得表面晶粒细小、纳米陶瓷颗粒分布均匀、残余压应力高的复合表面，产生细晶强化、纳米强化和形变强化的协同强化作用，显著提高金属材料表面性能。

本发明解决上述问题的技术方案是：采用表面微造型与激光喷丸相结合的预注式激光喷丸方法处理金属材料表面，使纳米陶瓷颗粒均匀分布于材料表面，有效细化其表面晶粒，形成厚的纳米颗粒均匀增强的细晶复合表面，显著提高金属材料表面性能。其具体步骤为：

1) 将金属材料待加工表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；

2) 在预处理的待加工表面上进行微造型，加工出微沟槽；

3) 将纳米陶瓷粉末预注入微沟槽中，并在待加工表面上覆盖一薄层金属；

4) 将吸收层和约束层设置在薄层金属表面；

5) 将金属材料待加工表面进行激光喷丸处理，获得纳米颗粒增强的复合表面。