[发明专利]超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法及其专用装置

说明书

本发明涉及金属材料表面纳米化领域，具体地说是一种超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法及其专用装置。该方法采用高压液体携带高能超声波，通过液体刀喷嘴冲击金属材料表面，包括如下步骤：(1)基体前处理：常规的表面抛光，丙酮、酒精清洗；(2)表面纳米化：采用高压液体携带超声波能量高速运动冲击金属材料表面。该装置包括液体刀装置及超声波发生装置，超声波发生装置包括超声波发生器、超声变幅杆、超声换能器，液体刀装置包括液体刀进液管、冲击液体箱、液体刀喷嘴、液体刀增压箱。本发明通过在材料表层产生塑性变形的加工方法，使材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒及初始晶粒组织。

技术领域

本发明涉及金属材料表面纳米化领域，具体地说是一种超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法及其专用装置。

背景技术

目前，在轴类金属材料表面形成梯度结构的方法主要有：

①表面机械研磨处理方法

表面机械研磨处理方法是通过高速运动的弹丸撞击被处理材料表面，在材料表层产生强烈的塑性变形，引入大量的缺陷，如：位错、孪晶、剪切带等，当位错密度足够大时发生位错湮灭、重组，形成纳米尺寸晶粒，晶粒尺寸沿厚度方向呈逐渐增大的梯度结构。优点：材料整体疲劳性能提高，纳米结构表层具有较高扩散能力，有利于低温渗氮等化学处理。缺点：被处理材料表面粗糙度较大，加工效率低。

②滚压方法

滚压方法的实施主体是滚压刀具，它是一种压力光整加工，是利用金属在常温状态的冷塑性特点，通过滚压刀具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流动，填入到原始残留的低凹波谷中，而达到提高工件表面光洁度。由于被滚压的表层金属塑性变形，使表层组织冷硬化和晶粒变细，形成致密的纤维状，并形成残余应力层，硬度和强度提高，从而改善工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性，滚压是一种无切削的塑性加工方法。优点：工件表面粗糙度降低，提高表面硬度，提高疲劳性能，减少磨损，延长使用寿命。缺点：滚压技术的优势在于使工件的表面光洁度提高，至于提高表面硬度及疲劳性能是有限度的，因为滚压技术是不可能使工件表面形成纳米晶体结构，甚至不能形成亚微米结构。根据Hall-Petch关系，金属材料的强度随晶粒尺寸减小而增大，所以滚压技术对提高工件的表面硬度是有限的。

③表面机械碾压方法(SMGT)

表面机械碾压方法是通过刀具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流变而使组织发生晶粒细化，从而提高工件表面的强度和耐磨性。优点：可以使被加工工件的表面形成纳米梯度组织，表面光洁度比表面机械研磨处理方法要好，加工后的屈服强度和疲劳性能比加工前有大幅度的提高。缺点：加工后工件的表面光洁度还是不够好，加工效率低，对工件外形尺寸有较高要求，很难加工复杂工件，加工温度高，需要复杂的降温系统，加工耗能高。

④表面机械滚压(SMRT)

表面机械滚压方法类似于表面机械碾压法，这种方法刀具前段有一套可旋转滚珠，用来减少加工过程中的摩擦。优点：可以使被加工工件的表面形成纳米梯度组织，表面光洁度比表面机械研磨处理方法要好，加工后的屈服强度和疲劳性能比加工前有大幅度的提高。缺点：加工效率低，对工件外形尺寸有较高要求，很难加工复杂工件，加工温度高，需要复杂的降温系统，加工耗能高。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以使圆棒型工件、大平面平板状工件、不规则复杂工件等超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法及其专用装置，通过在材料表层产生塑性变形的加工方法，使材料表层晶粒尺寸由表面至内部依次为纳米尺寸晶粒、亚微米尺寸晶粒、变形晶粒及初始晶粒组织。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种超声液体刀冲击金属材料表面纳米化方法，采用高压液体携带高能超声波，通过液体刀喷嘴冲击金属材料表面，包括如下步骤：