本發明屬于材料表面處理領域，具體地涉及一種高強高硬金屬材料表面梯度納米結構的制備裝置。

背景技術：

金屬材料表面的晶粒尺寸達到納米級(晶粒尺寸<100nm)后會具有優異的物理和化學性能，可以顯著提高其零部件的綜合使用性能和壽命。

目前國內外常用的金屬材料表面納米化方法主要有激光沖擊方法和表面機械處理法。激光沖擊方法是利用高瞬時能量密度激光沖擊波的力學效應，在金屬材料表層形成大數值殘余壓應力和微觀組織變化，從而可在其表面獲得納米晶粒。但是該方法產生的納米晶層較薄，納米晶層通常小于1微米，影響了材料的后續使用性能，且需要在被處理材料表面增加吸收層和約束層，工藝較為復雜。表面機械處理法主要包括高能噴丸、超音速微粒轟擊、表面機械研磨處理、表面扭轉、超聲滾壓、表面摩擦等，這些方法均通過外加載荷使材料表面產生強烈的塑性變形和大量的缺陷，從而使金屬表面晶粒細化至納米尺度，形成一層具有梯度納米結構的表面層，納米晶層的厚度通?？蛇_數十微米，在改善金屬性能的同時，可避免制備整體金屬納米晶體材料的困難。由于該類方法比較簡單、處理成本低，引起了各國學者的普遍重視。然而，現有的表面機械處理方法主要用于純鐵、純銅、純鎳、純鈦、不銹鋼、鎂合金、鋁合金、鈦合金等硬度較低(硬度低于hv300)、塑性較好的金屬材料表面納米層制備。

對于鎳基高溫合金、模具鋼等具有較高強度和較高硬度的金屬材料，僅通過表面機械作用使其表面產生強烈塑性變形制備納米層結構是非常困難的。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足提供一種高強高硬金屬材料表面梯度納米結構的制備裝置。

本發明的技術方案如下：

一種高強高硬金屬材料表面梯度納米結構的制備裝置，包括工具頭(11)、高瞬時能量密度脈沖電源(1)、超聲發生器(2)、氣缸(3)、支撐架(4)、噴嘴(8)、滑動導軌(5)、導軌座(7)、超聲換能器(12)、工作臺(10)；高強高硬金屬材料制作的工件(9)安裝在工作臺(10)上，工作臺(10)能夠在機床x軸和y軸方向移動，進而帶動工件(9)在機床x軸和y軸方向移動，工具頭(11)和工件(9)分別與高瞬時能量密度脈沖電源(1)的正極和負極相連接，工具頭(11)連接在超聲換能器(12)輸出端，工具頭(11)在超聲發生器(2)的作用下沿z軸做超聲振動；超聲換能器(12)連接在滑動導軌(5)上，滑動導軌(5)與氣缸(3)的輸出端相連接，在氣缸(3)的作用下超聲換能器(12)與工具頭(11)沿z軸移動，且在工作過程中氣缸(3)輸出的氣壓能夠保證工具頭(11)與工件(9)良好接觸。

所述的制備裝置，氣缸(3)與承導件(6)均用螺栓連接安裝在導軌座(7)上，導軌座(7)通過螺栓連接在支撐架(4)上，支撐架(4)通過螺栓連接安裝在機床主軸上。

所述的制備裝置，所述噴嘴(8)與裝有冷卻液的容器連接，用于向工具頭(11)與工件(9)接觸點處噴射冷卻液。

相對于現有技術，本發明具有如下有益效果：

1、電脈沖形成的瞬時高溫和超聲波微觀機械沖擊復合作用可使鎳基高溫合金、模具鋼等高強高硬金屬材料處理點處的局部微塑性大大增加，使處理點處產生強烈的塑性變形，從而對工件表面進行有效的納米化，表面晶粒平均尺寸可在30納米以下。

2、電脈沖形成的瞬時高溫和超聲波微觀機械沖擊的聯合作用使高強高硬金屬表面塑性變形層深度大大增加，使納米層的厚度增加，可達到40微米以上。

3、采用該方法借助于數控機床可以完成對金屬零件復雜形狀曲面進行梯度納米結構的制備。

4、該方法簡單可靠，處理成本低。

附圖說明

圖1為高強高硬金屬材料表面梯度納米結構制備的裝置示意圖；1、高瞬時能量密度脈沖電源，2、超聲發生器，3、氣缸，4、支撐架，5、滑動導軌，6、承導件，7、導軌座，8、噴嘴，9、工件，10、工作臺，11、工具頭，12、超聲換能器；

圖2為三種不同方法下，鎳基高溫合金表面處理后的tem檢測結果圖；a表示僅超聲振動，b表示僅電脈沖處理，c表示高瞬時能量密度電脈沖與超聲波復合處理；

圖3為三種不同方法下，鎳基高溫合金表面處理后的晶粒尺寸分布圖；a表示僅超聲振動，b表示僅電脈沖處理，c表示高瞬時能量密度電脈沖與超聲波復合處理；

圖4為鎳基高溫合金在僅超聲振動處理之后距離工件表面70μm處獲得的晶粒圖和晶粒尺寸分布圖(圖片上邊緣到工件處理表面的距離為70μm)；a距離工件上表面70μm的晶粒圖；b距離工件上表面70μm的晶粒尺寸分布圖；

圖5為鎳基高溫合金在僅電脈沖處理之后距離工件表面70μm處獲得的晶粒圖和晶粒尺寸分布圖(圖片上邊緣到工件處理表面的距離為70μm)；a距離工件上表面70μm的晶粒圖；b距離工件上表面70μm的晶粒尺寸分布圖；

圖6為鎳基高溫合金在高瞬時能量密度電脈沖與超聲波復合處理之后距離工件表面70μm處獲得的晶粒圖和晶粒尺寸分布圖(圖片上邊緣到工件處理表面的距離為70μm)；a距離工件上表面70μm的晶粒圖；b距離工件上表面70μm的晶粒尺寸分布圖；

圖7為未經處理的工件的晶粒圖和晶粒尺寸分布圖；a晶粒圖；b晶粒尺寸分布圖；

具體實施方式

以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。

參考圖1，高強高硬金屬材料表面梯度納米結構的制備裝置，包括工具頭11、高瞬時能量密度脈沖電源1、超聲發生器2、氣缸3、支撐架4、噴嘴8、滑動導軌5、導軌座7、超聲換能器12、工作臺10；高強高硬金屬材料制作的工件9安裝在工作臺10上，工作臺10能夠在機床x軸和y軸方向移動，進而帶動工件9在機床x軸和y軸方向移動，工具頭11和工件9分別與高瞬時能量密度脈沖電源1的正極和負極相連接，工具頭11通過螺紋連接在超聲換能器12輸出端，工具頭11在超聲發生器2的作用下沿z軸做超聲振動。超聲換能器12通過螺栓連接在滑動導軌5上，滑動導軌5與氣缸3的輸出端相連接，在氣缸3的作用下超聲換能器12與工具頭11沿z軸移動，且在工作過程中氣缸3輸出的氣壓能夠保證工具頭11與工件9良好的接觸。

氣缸3與承導件6均用螺栓連接安裝在導軌座7上，導軌座7通過螺栓連接在支撐架4上，支撐架4通過螺栓連接安裝在機床主軸上。

所述噴嘴8與裝有冷卻液(例如水)的容器連接，用于向工具頭11與工件9接觸點處噴射冷卻液。

該裝置利用高瞬時能量密度脈沖電源的微觀熱沖擊與超聲微觀機械沖擊的協同作用，可以在高強高硬金屬材料表面高效制備梯度納米結構。

該裝置的工作步驟如下：

步驟1：將高強高硬金屬材料安裝在工作臺10上，安裝好工具頭，將工具頭11和工件9分別與高瞬時能量密度脈沖電源1的正極和負極相連接，并將工具頭11通過螺紋連接在超聲換能器12輸出端；

步驟2：調節氣缸輸出壓力為500-700n，保持工具頭11與工件9良好的接觸，打開高瞬時能量密度脈沖電源1、超聲發生器2和噴嘴8，工具頭11在超聲發生器2的作用下沿z軸(豎直方向)做超聲振動，開始對工件表面進行高瞬時能量密度電脈沖和超聲波復合處理，噴嘴8不斷向工具頭11與工件9接觸點處噴射冷卻液；與此同時，工件9在工作臺10的帶動下在x軸運動，工具頭11和工件9產生相對位移；

步驟3：工具頭11移動至材料處理邊界位置后，工作臺10沿y軸步進一定距離重復步驟2直至全部處理結束。

所述步驟2中，高瞬時能量密度脈沖電源1在工具頭11與工件9接觸點處形成電流密度大于230a/mm²的高瞬時能量密度脈沖電流，該脈沖電流在接觸點處的工件材料表面形成瞬時微觀巨變高溫，使工件材料產生微觀瞬時劇烈熱塑性膨脹變形，脈沖結束時在所沖注的冷卻液和工件未加熱部分金屬的冷卻下產生微觀收縮變形，經過多次電脈沖作用，便可以使表面晶粒細化；工具頭的超聲振動微觀機械沖擊再進一步提升接觸點處的塑性變形速度和變形量，使晶粒被進一步細化，從而形成表面納米晶粒層。

優選的，上述超聲振動頻率為24-28hz，超聲振幅為6-10μm，工具頭為直徑6mm的mg18硬質合金，工件9沿x軸的運動速度為10-15m/min，沿y方向的步長為0.1-0.3mm，往復處理10-15道次，電脈沖峰值電流800-1000a，電脈沖頻率800-1000hz。

圖2為三種不同方法下，鎳基高溫合金表面處理后的tem檢測結果圖，圖3為三種不同方法下，鎳基高溫合金表面處理后的晶粒尺寸分布圖；由圖2和圖3可以看出，僅超聲振動處理之后的表面晶粒較大且不均勻，晶粒尺寸主要分布在100-160nm之間，平均值為150.5nm；僅高瞬時能量密度電脈沖處理之后工件表面的晶粒有所減小，晶粒形狀不規則，晶粒尺寸主要分布在50-110nm之間，平均值為87.9nm；而高瞬時能量密度電脈沖超聲波復合處理之后工件表面的晶粒小且較均勻，晶粒尺寸主要分布在15-35nm之間，平均值為25.8nm。

圖4為鎳基高溫合金在僅超聲振動處理之后距離工件處理表面70μm處獲得的晶粒圖和晶粒尺寸分布圖；圖5為鎳基高溫合金在僅電脈沖處理之后距離工件處理表面70μm處獲得的晶粒圖和晶粒尺寸分布圖；圖6為鎳基高溫合金在高瞬時能量密度電脈沖與超聲波復合處理之后距離工件處理表面70μm處獲得的晶粒圖和晶粒尺寸分布圖；a、b分別代表距離工件處理表面70μm的晶粒圖、距離工件處理表面70μm的晶粒尺寸分布圖；a圖上緣距離工件處理表面70μm，每幅圖在豎直方向的尺寸為90um左右，可以看出，每幅圖片從上緣到下緣晶粒尺寸呈梯度變化；圖7為未經處理的鎳基高溫合金的晶粒圖和晶粒尺寸分布圖。由上述圖4-7可以看出，未經處理的鎳基高溫合金晶粒尺寸較大，平均值為8.1μm，僅超聲振動處理后的晶粒平均尺寸為3.4μm，僅電脈沖處理后的晶粒平均尺寸為4.9μm，高瞬時能量密度電脈沖與超聲波復合處理后產生協同效應，高瞬時能量密度電脈沖與超聲波復合處理后晶粒平均尺寸最小，為0.71μm，可以看出高瞬時能量密度電脈沖與超聲波復合處理產生了協同作用。

此外，在距離工件處理上表面相同深度70μm處，僅高瞬時能量密度電脈沖處理之后的晶粒平均尺寸大于僅超聲振動處理之后的晶粒平均尺寸，這說明僅高瞬時能量密度電脈沖處理產生的影響層厚度比僅超聲振動處理產生的影響層厚度要小，這進一步說明了高瞬時能量密度電脈沖與超聲波復合處理方法能夠綜合高瞬時能量密度電脈沖處理和超聲處理的優點，不但使得表面晶粒進一步細化，還使得晶粒細化層的深度進一步增加。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。