一种在材料表面原位快速制备热稳定梯度结构的方法
阅读说明：本技术 一种在材料表面原位快速制备热稳定梯度结构的方法 (Method for rapidly preparing thermal stability gradient structure on material surface in situ ) 是由 王燕礼 朱有利 蔡志海 李静 王西彬 王思捷 刘军 于 2020-11-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种在材料表面原位快速制备热稳定梯度结构的方法,包括以下步骤：S1、将工具头抵在被处理材料表面；S2、在超声场辐照条件下,利用工具头对被处理材料逐点实施机械塑性变形处理,直至覆盖率达到100％,本发明应用超声场对材料微观结构的特殊促进作用,采用超声场辐照条件下耦合表面剧烈塑性变形技术,对材料表面进行原位处理,降低材料流变应力,加速动态再结晶发生,实现梯度结构的原位快速制备；同时,该梯度结构位错密度低、晶格畸变小、晶界平衡、热稳定性好；另外,该方法具有操作简单、成本低廉、制备效率高、方便工程化应用的特点。(The invention discloses a method for rapidly preparing a thermal stability gradient structure on the surface of a material in situ, which comprises the following steps: s1, the tool head is abutted against the surface of the material to be processed; s2, under the irradiation condition of an ultrasonic field, the tool head is utilized to carry out mechanical plastic deformation treatment on the treated material point by point until the coverage rate reaches 100 percent, the invention applies the special promotion effect of the ultrasonic field on the microstructure of the material, and adopts the coupling surface severe plastic deformation technology under the irradiation condition of the ultrasonic field to carry out in-situ treatment on the surface of the material, thereby reducing the material rheological stress, accelerating the occurrence of dynamic recrystallization and realizing the in-situ rapid preparation of a gradient structure; meanwhile, the gradient structure has low dislocation density, small lattice distortion, balanced crystal boundary and good thermal stability; in addition, the method has the characteristics of simple operation, low cost, high preparation efficiency and convenience for engineering application.)
技术领域
本发明涉及金属材料表面自纳米化和表面工程技术领域，具体而言涉及一种在材料表面原位快速制备热稳定梯度结构的方法。
背景技术
梯度结构指金属或合金的晶粒尺寸从表面到内部以纳米级-亚微米级-粗晶级连续过渡分布，这种结构具有独特变形机制，可同时提高金属或合金的强韧性，具有优异的疲劳抗性、耐磨性和应力腐蚀抗性。
梯度结构为金属材料发展带来新的机遇和生机，是未来金属材料研究的前沿技术之一。梯度结构材料从“十一五”开始酝酿并被确定为未来材料发展的一个重要方向，得到了国家自然科学基金委重点支持。与块体纳米材料相比，梯度结构材料仅需要改变材料表面层微观结构，这个相对来说更容易实现。
梯度结构材料制备方法有很多，其中表面自纳米化制备技术是一种较为常见的方法，当前发展的表面自纳米化技术有表面机械研磨(Surface mechanical attritiontreatment，SMAT)、表面机械碾压(Surface mechanical grinding treatment，SMGT)、高能喷丸(High energy shot peening，HESP)、超声喷丸(Ultrasonic peening，UP)等纯塑性变形手段，这些方法也是当前国际及国内的研究热点，这些传统方法的技术核心是采用机械载荷迫使被处理金属表面材料发生剧烈塑性变形，累积足够应变量，存储足够形变能，诱导动态再结晶，实现梯度尺寸结构制备。但是，上述传统方法制备梯度结构的位错密度高、热稳定性差，且制备效率低(达几十分钟至几个小时)、制备工艺复杂、制备成本高，严重制约了梯度结构材料的实际工业应用。
发明内容
研究发现，在金属拉伸、成形、凝固等过程中施加超声场，会发生超声波软化、超声波减摩、超声波空化等效应，从而促使一些特别的物理、力学现象发生，特别是超声波软化效应。所述超声波软化效应指金属材料拉伸时，一旦施加超声波，金属的屈服强度和流变应力会瞬间降低，而停止施加超声波，金属的屈服强度和流变应力又会瞬间恢复，且超声波强度达到一定值时，金属的屈服强度和流变应力可以降至为零，而上述现象是超声波与材料微观结构(如位错、晶界等)的交互作用所致。因此，发明人创新性地在传统纯塑性变形过程中耦合超声波场，利用超声波与材料微观结构交互作用效果，加速位错增殖、运动、湮灭以及动态再结晶过程的发生，从而快速在材料表面制备出梯度结构，并显著降低梯度结构位错密度，达到提高制备效率和梯度结构热稳定性的目的。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种在材料表面原位快速制备热稳定梯度结构的方法，包括以下步骤：
S1、将工具头抵在被处理材料表面；
S2、在超声场辐照条件下，利用工具头对被处理材料逐点实施机械塑性变形处理，直至覆盖率达到100％，即可。
优选的，所述被处理材料为金属或合金，其包括纯金属、碳素钢、合金钢、铝合金、镁合金和钛合金。
优选的，所述步骤S1中，对工具头施加外载荷静压力使其抵在被处理材料表面。
优选的，所述步骤S1中，通过功率超声波驱动工具头，使工具头连续冲击或碾压被处理材料表面。
优选的，所述步骤S2中，功率超声波基于工具头或直接导入被处理材料形成超声场辐照条件。
优选的，所述功率超声波的频率为20-50KHz，其振幅为10-30μm，所述功率超声波由功率超声波发射器发射。
优选的，所述机械塑性变形处理包括冲击和碾压。
优选的，所述工具头采用硬质合金钢或工具钢制成，其端部设置为球状结构，所述球状结构的直径为3-10mm，且粗糙度小于Ra3.2。
优选的，所述热稳定梯度结构是在室温条件下制备。
本发明的有益效果是：
1、在功率超声波能量和外载荷静压力联合作用下，材料塑性变形更易实现，位错运动行为得到促进，加速了动态回复和动态再结晶过程，实现了梯度结构层的原位快速制备，提高了制备效率，方法简单，操作容易，有利于工程应用节约时间成本。
2、在功率超声波能量和外载荷静压力联合作用下，材料塑性变形层深度显著增大，表面梯度结构层深度可达到400μm以上，该特征有利于通过后期磨抛处理，进一步降低被处理材料表面粗糙度，并去除潜在的塑性变形微裂纹，同时，仍能够保留一定深度的梯度结构层，发挥梯度结构层独特的力学性能等优势。
3、在功率超声波能量和外载荷静压力联合作用下，制备的梯度结构层位错密度低，几乎是由无位错晶粒，晶格内部畸变量小，有助于提高梯度结构层的热稳定性。
附图说明
图1为工具头抵在被处理材料表面的示意图，其中，图1(a)为功率超声波通过工具头导入被处理材料，图1(b)为功率超声波不通过工具头而直接导入被处理材料；
图2为通过10秒钟处理时间在AA6061-T6铝合金表面制备出的梯度结构层，由电子背散射衍射(EBSD)技术观察的晶粒尺寸、晶粒取向、晶界分布图，其中，图2(a)是晶粒尺寸图，图2(b)是晶粒取向图，图2(c)是晶界分布图；
图3为通过10秒钟处理时间在AA6061-T6铝合金表面制备出的梯度结构层，由透射电子显微镜(TEM)技术观察距离表面30μm处的微观结构图；
图4为由光学显微镜观察到的AA6061-T6铝合金表面截面金相图，其中，图4(a)为本发明实施例二制备的材料截面金相图，图4(b)为非超声波辐照纯塑性变形技术处理在AA6061-T6铝合金表面制备出材料截面金相图；
图5为由显微硬度计测定的AA6061-T6铝合金截面硬度压痕试验形貌图，其中，图5(a)为本发明实施例二制备的材料截面压痕形貌，图5(b)为非超声波辐照纯塑性变形技术处理在AA6061-T6铝合金试样截面压痕形貌；
图6为纳米压痕法测定的不同技术处理试样从表面至心部的硬度分布图，横坐标表示测定点距离表面的距离，单位为μm，纵坐标表示纳米硬度，单位为GPa；
图7为图2中最表层等轴超细晶层的局部放大图；
图8为图7观察区域的数学统计结果，图8(a)为超细晶层大角度晶界、小角度晶界统计比例，图8(b)为超细晶层不同尺寸晶粒统计比例，横坐标表示晶粒尺寸(直径)，单位为μm，纵坐标表示所占面积比例分数；
图9为A6061-T6铝合金表面制备梯度结构层过程中的连续动态再结晶过程图；
图10为AA6061-T6铝合金表面制备梯度结构层过程中的不连续动态再结晶过程图；
图11为AA6061-T6铝合金表面制备梯度结构层过程中的应力波叠加计算结果图,图11(a)为超声波压痕表面中心节点的应力-时间变化曲线，图11(b)为距离超声波压痕表面中心节点100μm深度处节点的应力-时间变化曲线，横坐标表示时间，单位为s，纵坐标表示应力值，单位为MPa；
图12为AA6061-T6铝合金表面制备梯度结构层过程中，应力波向材料内传播计算结果图；
图13为AA6061-T6铝合金表面制备梯度结构层过程中的高速率转动特征计算结果图,图13(a)为0.137ms时刻超声压痕对称平面上节点的旋率云图，图13(b)为0.227ms时刻超声压痕对称平面上节点的旋率云图，纵坐标表示旋率，单位为rad/s。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
一种在材料表面原位快速制备热稳定梯度结构的方法，所述被处理材料为金属或合金，其包括纯金属、碳素钢、合金钢、铝合金、镁合金和钛合金，所述方法包括以下步骤：
第一步、在室温条件下，对工具头施加外载荷静压力使其抵在被处理材料表面，所述工具头采用硬质合金钢或工具钢制成，其端部设置为球状结构，球状结构的直径为3-10mm，且粗糙度小于Ra3.2。
第二步、功率超声波基于工具头或直接导入被处理材料形成超声场辐照条件，所述功率超声波的频率为20-50KHz，振幅为10-30μm，在超声场辐照条件下，利用工具头对被处理材料逐点实施机械塑性变形处理，直至覆盖率达到100％，即可，优选的，所述机械塑性变形处理包括冲击和碾压。
也就是说，在超声场辐照条件下实施机械塑性变形处理，可在被处理材料表面原位快速制备梯度结构，提高制备效率，同时可显著降低制备梯度结构位错密度，提高梯度结构的热稳定性，明显增大梯度结构层深度至400μm以上。
实施例二：
本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
所述被处理材料为AA6061-T6铝合金，通过外载荷静压力将工具头抵在被处理材料表面，外载荷静压力为50N，工具头采用6Cr4W3Mo2VNb高韧性冷作模具钢加工，工具头球形直径为5mm，球头表面粗糙度为Ra3.2。同时，外载荷静压力值可变化，其最小值以可以将工具头抵在被处理材料表面为准。
由功率超声波驱动工具头冲击/碾压被处理材料迫使其发生机械塑性变形，或者外载荷静压力直接作用工具头碾压被处理材料迫使其发生机械塑性变形。本实施例中，采用功率超声波驱动工具头冲击被处理材料迫使其发生机械塑性变形。
功率超声波通过工具头导入被处理材料，如图1(a)所示，或者不通过工具头直接导入被处理材料，如图1(b)所示，形成超声场辐照条件。本实施例中，功率超声波通过工具头导入被处理材料，形成超声场辐照条件，功率超声波的频率为20KHz，振幅为20μm，单点处理持续时间为10秒钟。
在机械塑性变形和超声场耦合作用下，功率超声波能量会加速位错增殖速度、加快位错运动速率、增大位错滑动距离、加大位错重排/湮灭机率，促使难滑移系启动，促进位错在非热激励条件下发生交滑移，促进亚晶转动等，从而加快动态回复和动态再结晶过程的发生，达到晶粒快速细化的效果，实现原位快速制备梯度结构的目的。
本实施例中，仅10秒时间即可实现在AA6061-T6铝合金表面制备出深度达600μm的超细晶粒梯度结构层，如图2所示。最表面为60μm厚等轴超细晶层，该层晶粒尺寸为100-300nm，再往下，形成了30μm厚的超细晶粒层，该层晶粒尺寸在1-2μm，继续往下，形成了40μm厚的超细晶粒层，该层晶粒尺寸在4-5μm，且晶粒呈千层饼状结构。由此可见，从表面向内部，晶粒尺寸逐渐增大，形成了梯度结构，同时，晶粒取向呈随机分布，晶内无位错、畸变小，晶界处于平衡状态，表明热稳定性好。
图3为AA6061-T6铝合金距离最表面30μm处微观结构的透射电子显微镜(TEM)照片，显示：尺寸为200-300nm、取向分布随机的超细等轴晶已经形成，选区电子衍射(SAED)呈连续环状，进一步表明随机取向超细晶形成；晶粒内部的均匀衬度意味着晶格内畸变得到部分释放，有助于晶粒的热稳定性；在这些晶粒内部靠近晶界处未观察到明显消光轮廓的发生，表明晶界处于平衡状态，上述特征是传统纯剧烈塑性变形技术制备梯度结构所不具备的。
同时，由图7可以看出：超声波辐照塑性变形技术处理AA6061-T6铝合金材料的最表面的确形成了取向随机分布的等轴超细晶层。图8为图7观察区域的数学统计学结果，由图中可以看出：超声波辐照塑性变形技术处理AA6061-T6铝合金材料的最表面的等轴超细晶层，其大角度晶界占比达90％、小角度晶界占比仅10％；晶粒尺寸主要分布在200-500nm之间。此外，由图9可以看出：超声波辐照塑性变形技术处理时，AA6061-T6铝合金发生了亚晶转动连续动态再结晶。由图10可以看出：超声波辐照塑性变形技术处理时，AA6061-T6铝合金发生了晶界形核长大的不连续动态再结晶。由图11可以看出：超声波辐照塑性变形技术处理时，存在明显的应力波叠加特征。由图12可以看出：超声波辐照塑性变形技术处理时，应力波向被处理材料内部传播并逐渐衰减，其能量被材料形变吸收。由图13可以看出：超声波辐照塑性变形技术处理时，被处理材料存在高转动速率特征，转速速率高达10000rad/s，且表现出顺时针-逆时针的交变特征，粗略估计平均旋转速度为2500rad/s，可在半个周期(1/40000s)中获得3.6°旋转角，意味着亚晶粒旋转可能很快发生，以适应超声波辐照塑性变形技术处理时材料局部变形，有助于快速形成大角度晶界(HAGB)。
采用本发明及传统技术制备的AA6061-T6铝合金表面截面金相图做比较，如图4所示。可以看到，图4(a)显示超声波辐照塑性变形技术处理材料表层形成了60μm厚白层(white layer)，与图2EBSD观察等轴超细晶层厚度一致。图4(b)显示非超声波辐照塑性变形技术处理材料表层没有形成白层。图5为采用本发明及传统技术制备的AA6061-T6铝合金表面截面显微硬度试验的压痕形貌照片，图5(a)显示超声波辐照塑性变形技术处理材料的最表面显微压痕尺寸最小，随着深度增大，压痕尺寸逐渐增大，表明由表面向内部，硬度逐渐减小，这是晶粒细化和梯度结构存在的结果。图5(b)显示非超声波辐照塑性变形技术处理材料表面没有上述变化特征，说明没有梯度结构形成。图6为不同即使制备AA6061-T6铝合金试样截面纳米硬度变化趋势，□表示超声波压痕，○表示非超声波辐照塑性变形压痕，Δ表示未处理材料试样，超声波辐照塑性变形技术处理材料的最表面纳米硬度达3.7GPa，向内逐渐降低至1.8GPa，再往后至测定的300μm深度范围内保持不变，纳米硬度从3.7GPa降至1.8GPa的这一层深为60μm，这与白层厚度和EBSD观察等轴超细晶层厚度一致，进一步表明，该层晶粒细化显著。非超声波辐照塑性变形技术处理材料表面没有上述变化特征。
综上所述，超声波辐照塑性变形技术(即应用超声波与材料微观结构耦合作用)会加速位错增殖、运动、湮灭、以及动态再结晶过程的发生，从而实现迅速在材料表面制备出梯度结构，并显著降低梯度结构位错密度，提高梯度结构制备效率和梯度结构热稳定性，所述优势是传统剧烈塑性变形(SPD法)制备梯度结构所不具备的。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。