本發明涉及表面工程技術與激光加工技術領域，具體涉及一種在金屬工件表層形成梯度納米結構的組合方法。

背景技術：

納米金屬材料具有強度和硬度高、物理性能、磨損性能和熱加工性能好等優勢。在不改變材料化學成分的前提下，結構納米化可使材料強度和硬度提高數倍或數十倍。2016年美國軍方公布的《2016-2045新科技趨勢報告》提出了20項最值得關注的科學技術，先進材料尤其納米材料制備與性能研究位居其中。伴隨著強度和硬度的顯著提高，納米結構材料的塑性和韌性明顯降低、加工硬化能力消失、結構穩定性變差，上述不足制約了納米結構材料的應用和發展。隨著工程結構向高強度和輕量化的發展，傳統的均一材料，比如粗晶材料和納米晶材料，都已無法滿足工程結構件在極端服役環境下的性能要求。中科院金屬研究所盧柯院士的研究表明：金屬材料的強度增加是以犧牲粗晶或者納米晶的塑性為代價，納米晶–粗晶混合材料的強度–塑性綜合性能不高。但梯度納米材料表現出優良的強度/塑性綜合性能。顯然，基于塑性變形構筑的梯度納米結構鎂合金，具有細晶與粗晶的綜合特征，能有效克服納米結構低塑性和低韌性的缺陷，明顯提升金屬材料的強度、耐磨性以及熱穩定性，最大程度上提升了金屬材料的綜合性能。

激光沖擊強化(lasershockpeening,lsp)是一種新型的表面強化技術，主要是采用短脈沖(幾十納秒)、高峰值功率密度(>10⁹w/cm²)的激光輻照在金屬表面，激光束通過約束層之后被吸收層吸收，吸收層從而獲得能量形成爆炸性氣化蒸發，產生高溫高壓的等離子體，由于外層約束層的約束，等離子體形成高壓沖擊波從而向材料內部傳播，利用沖擊波的力效應在材料表層發生塑性變形，使得表層材料微觀組織發生變化，達到細化晶粒的效果，甚至可以在熔點較低的金屬材料(如鎂合金、黃銅等)表層生成梯度納米結構。且殘余應力層深度可達1～2mm(是機械噴丸的5～10倍)，提高材料的強度、硬度、耐磨性和耐應力腐蝕性能。但是，由于吸收層的存在，激光不會燒蝕材料表面，也不會在材料表面產生高溫，因此激光沖擊強化只是利用了激光束的力效應，而沒有熱效應，屬于冷加工。對于熔點較高的金屬材料(如鈦合金等)，其再結晶溫度會相對較高，只在金屬表層生成梯度亞微米結構。

表面機械研磨處理(smat)是一種最為行之有效的金屬表層梯度納米結構合成工藝。主要是通過彈丸在振動發生器作用下飛行并對金屬表面進行高應變速率、方向隨機、應變累計的塑性變形，表層應變量及應變速率隨深度增大呈梯度減小，累計應變量隨壓入次數增多而增大，被撞擊的表面產生塑性變形并形成由表及里尺寸變化的梯度納米結構。由于彈丸對金屬材料直接多方向沖擊，彈丸與金屬材料之間有微小的相對摩擦，產生熱量，使得金屬表層溫度升高，可在熔點較高的金屬材料(如鈦合金等)表層生成梯度納米結構。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的不足之處，為了解決上述問題，本發明提出了一種在金屬工件表層形成梯度納米結構的組合方法。即先采用激光沖擊強化技術誘導較深厚度的塑性變形層，然后采用表面機械研磨處理使金屬工件表面納米化，最終獲得理想層厚和優化微結構分布的金屬工件表層梯度納米結構。

所述金屬工件材料為鋁合金、鈦合金、鎂合金、不銹鋼、鎳基高溫合金等應用于航空航天、汽車輪船、化工等行業的關鍵重要部件的金屬材料。

所述激光沖擊強化處理過程為：先將金屬工件待處理表面依次用500#，800#，1000#，1200#，1600#，2000#和2500#的砂紙進行打磨并拋光，然后用去離子水進行超聲清洗；確定與金屬工件材料相關的激光沖擊工藝脈寬、脈沖能量、頻率、光斑直徑及沖擊層數，在金屬工件待處理表面貼上吸收層，再對金屬工件的待沖擊區域進行大面積激光搭接沖擊強化處理。

所述激光沖擊強化處理過程中，所述脈寬為8～30ns，所述脈沖能量為2～15j，所述頻率為1hz，所述光斑直徑為2～3mm，所述光斑的橫向和縱向搭接率為50％，所述沖擊層數為1～3層，所述吸收層為美國3m公司生產的激光沖擊強化專用鋁箔，所述約束層為去離子水水流形成的1～2mm的水膜，所述脈沖的峰值壓力為p1，所述光斑邊緣的壓力為p2，滿足2σh≤p1≤2.5σh，p2≥σh，其中式中，為動態屈服強度，v為材料的泊松比，使整個激光沖擊光斑區域產生動態塑性變形，而光斑中心區域金屬工件不產生宏觀變形。

所述激光沖擊強化處理后，在金屬工件表面誘導出較深的塑性變形層，可形成較深的納米量級或亞微米量級梯度結構層。

所述表面機械研磨處理過程為：先將沖擊過后的金屬工件表面吸收層去除，用去離子水對金屬工件表面進行超聲清洗；確定與金屬工件材料相關的表面機械研磨工藝振動頻率、球丸直徑及處理時間，在此基礎上對金屬工件的沖擊面進行表面機械研磨處理。

所述表面機械研磨處理過程中，所述振動頻率為50hz，所述球丸直徑為6～8mm，所述處理時間為5～60min。

所述表面機械研磨處理后，在某些激光沖擊強化難以納米化的金屬工件表層獲得納米量級梯度結構層，在已被激光沖擊強化納米化的金屬工件表層獲得更深的納米量級梯度結構層和更優的納米量級-亞微米量級-微米量級梯度結構層。

經測定，采用所述金屬工件表層梯度納米結構的組合可控制備方法在金屬工件表面制備梯度納米結構層，其納米量級結構層厚為30～50μm，亞微米量級結構層厚為80～200μm，整個晶粒細化層厚為800～1300μm。

本發明有益效果：

(1)本發明有效實現了金屬工件表層(鋁合金、鈦合金、鎂合金、不銹鋼、鎳基高溫合金和鎂合金等)梯度納米結構的組合可控制備，為航空航天、汽車輪船、化工等行業金屬關鍵重要部件的強化、修復提供了一種新型有效的方法；

(2)本發明可以獲得金屬工件材料表層梯度納米結構的理想層厚，同時優化微結構分布的表層梯度納米結構，針對當前技術局限性，結合當前技術的可行性，創新地提出了一種切實可行的方法；

(3)本發明有效改善了金屬工件材料的表面粗糙度，提高了金屬工件材料的表面質量，有效降低了金屬工件表面后處理的成本；

(4)本發明突破金屬工件材料強度-塑性“倒置關系”，確保良好塑性和較高強度并存，大幅度提高金屬工件的疲勞壽命、耐磨性能等綜合力學性能。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。

圖1為兩個實施例試樣尺寸示意圖。

圖2為am50鎂合金深度方向晶粒尺寸梯度變化示意圖。

圖3為am50鎂合金表層tem圖：(a)激光沖擊強化處理的試樣表層tem圖，(b)先激光強化處理，后機械研磨處理的試樣表層tem圖。

圖4為h62黃銅表層tem圖：(a)激光沖擊強化處理的試樣表層tem圖，(b)先激光強化處理，后機械研磨處理的試樣表層tem圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式做詳細的說明，但本發明不應僅限于實施例。

實施例一

一種使用上備方法制備鎂合金表層梯度納米結構的實例，其步驟為：

(1)選用兩個尺寸為30mm×50mm×5mm的am50鎂合金試樣進行對比試驗，分別記作試樣1和試樣2，處理區域a如圖1所示。

(2)對試樣1和試樣2按照步驟(1)中確立的區域a進行激光沖擊強化處理，其中激光沖擊強化參數如下：光斑形狀為圓形，直徑為3mm，脈寬為10ns，脈沖能量為12j，橫向和縱向搭接率為50％，沖擊層數為1層。

(3)對試樣2進行表面機械研磨處理，其中表面機械研磨參數如下：系統振動頻率為50hz，球丸直徑為8mm，處理時間為30min。

如圖3所示，圖(a)為試樣1表層的tem圖，圖(b)為試樣2表層的tem圖。試樣1的平均晶粒尺寸約為50nm，梯度納米結構的深度約為30μm，殘余應力層深度約為1mm。試樣2的平均晶粒尺寸約為20nm，梯度納米結構的深度約為50μm，殘余應力層深度約為1mm。由于機械研磨處理誘導的殘余應力層深度不及激光沖擊誘導的殘余應力層，所以試樣1和試樣2的殘余應力層深度接近。但是，激光沖擊強化細化晶粒僅僅是由激光沖擊產生的力效應誘導產生的，而機械研磨處理不僅利用了其力效應還利用了其熱效應，從而為再結晶提供了所需的溫度，使試樣表面晶粒尺寸更小。

實施例二

一種使用上備方法制備銅合金表層梯度納米結構的實例，其步驟為：

(1)選用兩個尺寸為30mm×50mm×5mm的h62黃銅試樣進行對比試驗，分別記作試樣1和試樣2，處理區域a如圖1所示。

(2)對試樣1和試樣2按照步驟(1)中確立的區域a進行激光沖擊強化處理，其中激光沖擊強化參數如下：光斑形狀為圓形，直徑為3mm，脈寬為10ns，脈沖能量為6j，橫向和縱向搭接率為50％，沖擊層數為1層。

(3)對試樣2進行表面機械研磨處理，其中表面機械研磨參數如下：系統振動頻率為50hz，球丸直徑為8mm，處理時間為15min。

如圖4所示，圖(a)為試樣1表層的tem圖，圖(b)為試樣2表層的tem圖。試樣1的平均晶粒尺寸約為15nm，梯度納米結構的深度約為50μm，殘余應力層深度約為1mm。試樣2的平均晶粒尺寸約為10nm，梯度納米結構的深度約為60μm，殘余應力層深度約為1mm。

兩個實施例都表明，與單一的激光沖擊強化處理方法相比，本方法制備的金屬表層納米晶粒尺寸明顯減小，并有效提高了梯度納米結構的深度。由于激光沖擊強化的殘余應力層深度較大，所以，兩個實施例中試樣1與試樣2的殘余應力層深度都很接近，幾乎相同。