金属材料的加工方法和金属材料与流程

1.本发明涉及材料加工的技术领域，具体而言，涉及一种金属材料的加工方法和一种金属材料。


背景技术：

2.金属材料在诸多领域得到了广泛地应用。其中，在一些特殊环境或特殊应用场景中，金属材料容易出现空蚀(cavitation erosion)的现象。空蚀会对金属材料的表面造成破坏，影响金属材料的机械强度和使用寿命。


技术实现要素：

3.本发明旨在解决上述技术问题的至少之一。
4.为此，本发明的第一目的在于提供一种金属材料的加工方法。
5.本发明的第二目的在于提供一种金属材料。
6.为实现本发明的第一目的，本发明的实施例提供了一种金属材料的加工方法，包括：对金属材料的表面进行喷丸处理，使金属材料的表面形成梯度纳米晶结构；其中，喷丸处理使金属材料的表面形成被处理面，梯度纳米晶结构的结构单元尺寸自被处理面由外向内地逐渐增大。
7.本发明实施例通过喷丸处理，在金属材料表面生成一层梯度纳米晶结构。梯度纳米晶结构可有效抑制疲劳裂纹的萌生。其中，梯度纳米晶结构的晶粒尺寸由表面之上由内向外地逐渐变小。即：梯度纳米晶结构由内向外地包括粗晶粒结构和细晶粒结构。当金属材料表面受到冲击时，梯度纳米晶结构使得同样的形变量可能在更多的晶粒中发生，产生较为均匀的变形，而不致于造成因局部应力集中而引起裂纹过早的萌生和发展。并且，梯度纳米晶结构在循环载荷作用下，外部顶层的细晶结构由于其高强度的特性，可有效抑制疲劳裂纹的萌生，而内部芯层的粗晶粒结构可阻碍裂纹扩展。在上述机制的共同作用下，本发明实施例显著提高了金属材料的空蚀抗性，提高金属材料的力学性能、机械强度和使用寿命。本发明实施例提供的金属材料尤其适用于在气液两相的环境中使用。
8.另外，本发明上述实施例提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：
9.上述技术方案中，在执行对金属材料进行喷丸处理之前，加工方法还包括：对金属材料的表面进行热处理。
10.热处理的目的在于消除原始供货状态的金属材料可能存在的缺陷，并由此获得组织均匀的、可供喷丸处理的材料。
11.上述任一技术方案中，热处理的温度范围为550摄氏度至1150摄氏度；和/或热处理的时间范围为30分钟至120分钟。
12.在以上温度范围和时间范围内合理控制和选择热处理的具体工艺参数，能够合理控制金属材料中的固溶程度，有效消除金属材料的表面缺陷。
13.上述任一技术方案中，在执行对金属材料的表面进行热处理之后，在执行对金属
材料的表面进行喷丸处理之前，加工方法还包括：对金属材料的表面进行酸洗处理。
14.酸洗处理的目的在于消除热在金属材料表面生成的氧化层，避免氧化层对后续处理工艺带来的不利影响。
15.上述任一技术方案中，酸洗处理采用的酸洗介质包括以下至少之一或其组合：硫酸、盐酸、氢氟酸、有机酸。
16.上述任一技术方案中，在执行对金属材料的表面进行酸洗处理之后，在执行对金属材料的表面进行喷丸处理之前，加工方法还包括：对金属材料的表面进行打磨处理和/或清洗处理。
17.打磨处理和/或清洗处理有助于保证金属材料的表面清洁、光滑，以保证在进行后续的喷丸处理时，喷丸介质能够顺利地附着在金属材料的表面。
18.上述任一技术方案中，在执行对金属材料进行喷丸处理之后，加工方法还包括：对金属材料的表面进行清洗处理。
19.清洗处理可去除金属材料表面因喷丸处理而产生的杂质。
20.上述任一技术方案中，喷丸处理的施加压力范围为0.3兆帕至0.6兆帕；和/或喷丸处理的施加时间范围为2分钟至15分钟；和/或喷丸处理的施加距离范围为80毫米至100毫米；和/或喷丸处理的喷射角度范围为85
°
至95
°
；和/或喷丸处理的覆盖率范围为95％至98％；和/或喷丸处理的喷丸介质直径范围为0.4毫米至0.6毫米。
21.上述工艺参数可使得金属材料的表面生成一层顶部表面组织为细晶，内部芯层的组织为粗晶的梯度纳米晶结构。当金属材料表面受到冲击时，梯度纳米晶结构使得同样的形变量可能在更多的晶粒中发生，产生较为均匀的变形，而不致造成因局部应力集中而引起裂纹过早的萌生和发展。并且，梯度纳米晶结构在循环载荷作用下，外部顶层的细晶结构由于其高强度的特性，可有效抑制疲劳裂纹的萌生，而内部芯层的粗晶粒结构可阻碍裂纹扩展。由此，本实施方式显著提高了金属材料的空蚀抗性，提高金属材料的力学性能、机械强度和使用寿命。本发明实施例提供的金属材料尤其适用于在气液两相的环境中使用。为实现本发明的第二目的，本发明的实施例提供了一种金属材料，金属材料采用如上述任一技术方案的金属材料的加工方法获得。
22.本技术方案的金属材料采用如上述任一技术方案的金属材料的加工方法获得，其具有如上述任一技术方案的金属材料的加工方法的全部有益效果，在此不再赘述。
23.上述技术方案中，金属材料包括：梯度纳米晶结构，梯度纳米晶结构形成于金属材料的表面，其中，喷丸处理使金属材料的表面形成被处理面，梯度纳米晶结构的结构单元尺寸自被处理面由外向内地逐渐增大。
24.梯度纳米晶结构显著提高了金属材料的空蚀抗性，提高金属材料的力学性能、机械强度和使用寿命。
25.上述任一技术方案中，梯度纳米晶结构的结构单元尺寸包括：梯度纳米晶结构的晶粒尺寸；和/或梯度纳米晶结构的层片厚度尺寸。
26.晶粒尺寸或层片厚度尺寸逐步变化的梯度纳米晶结构使得金属材料在受到冲击时产生较为均匀的变形，避免微裂纹的萌生和发展。
27.上述任一技术方案中，梯度纳米晶结构包括以下至少之一或其组合：孪晶形态的梯度纳米晶结构、错位形态的梯度纳米晶结构、层片结构的梯度纳米晶结构、柱状结构的梯
度纳米晶结构。
28.上述结构使得金属材料的表面在微观尺度下的形貌呈现梯度变化，并赋予金属材料更加优异的力学性能。
29.上述任一技术方案中，梯度纳米晶结构的硬度自靠近表面的一端向远离表面的一端逐渐减小。
30.上述任一技术方案中，梯度纳米晶结构的晶粒尺寸范围为10纳米至50纳米；和/或梯度纳米晶结构的厚度范围为100微米至600微米；和/或梯度纳米晶结构的维氏硬度范围为300千克力/平方毫米至700千克力/平方毫米。
31.梯度纳米晶结构的硬度变化、梯度纳米晶结构的晶粒尺寸范围、度纳米晶结构的厚度范围、梯度纳米晶结构的维氏硬度范围等特性或属性由本发明实施例的加工方法点决定。本发明实施例的加工方法可有效提高金属材料的硬度，使得金属材料的表面形成粒度分布均匀。厚度合理的梯度纳米晶结构。
32.上述任一技术方案中，金属材料的材质包括以下至少之一或其组合：钢、铁、镍、钴、金、银、铜、铝、钛、镁。
33.本技术方案的加工方法适用于对各种金属材料的加工处理，能够普遍地提高各种金属材料的空蚀抗性。
34.本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
35.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
36.图1为本发明一些实施例的金属材料的加工方法的步骤流程图之一；
37.图2为本发明一些实施例的金属材料的加工方法的步骤流程图之二；
38.图3为本发明一些实施例的金属材料的加工方法的步骤流程图之三；
39.图4为本发明一些实施例的金属材料的加工方法的步骤流程图之四；
40.图5为本发明一些实施例的金属材料的加工方法的步骤流程图之五；
41.图6为本发明一些实施例的金属材料的梯度纳米晶结构的示意图；
42.图7为经过热处理的304不锈钢金属材料的金相组织图；
43.图8为经过压力为0.3兆帕的喷丸处理的304不锈钢金属材料的金相组织图；
44.图9为经过压力为0.4兆帕的喷丸处理的304不锈钢金属材料的金相组织图；
45.图10为经过压力为0.5兆帕的喷丸处理的304不锈钢金属材料的金相组织图；
46.图11为经过压力为0.6兆帕的喷丸处理的304不锈钢金属材料的金相组织图；
47.图12为经过不同压力的喷丸处理的304不锈钢金属材料之上不同位置的硬度变化趋势图；
48.图13为经过不同压力的喷丸处理的304不锈钢金属材料的x射线衍射图谱；
49.图14为经过热处理的ta2工业纯钛金属材料的金相组织图；
50.图15为经过施压时间为2分钟的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料的金相组织图；
51.图16为经过施压时间为5分钟的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料的金相组织图；
52.图17为经过施压时间为8分钟的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料的金相组织图；
53.图18为经过施压时间为10分钟的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料的金相组织图；
54.图19为经过不同压力的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料之上不同位置的硬度变化趋势图；
55.图20为经过不同压力的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料的x射线衍射图谱；
56.图21为金属材料的在加工前后的ta2工业纯钛空蚀损失量对比图。
57.其中，图6中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
58.100：金属材料，102：表面，110：梯度纳米晶结构。
具体实施方式
59.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
60.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
61.下面参照图1至图21描述本发明一些实施例的金属材料的加工方法和金属材料100。
62.图1为本发明一个实施例的金属材料的加工方法的步骤流程图之一。如图1所示，本发明的实施例提供了一种金属材料的加工方法，该金属材料的加工方法包括：
63.步骤s102，对金属材料的表面进行喷丸处理，使金属材料的表面形成梯度纳米晶结构。
64.其中，喷丸处理使金属材料的表面形成被处理面，梯度纳米晶结构的结构单元尺寸自被处理面由外向内地逐渐增大。
65.本发明实施例的加工方法适用于对各种金属材料进行加工处理，其处理的方式为对金属材料的表面进行喷丸处理。喷丸处理是指：采用例如不锈钢球、金刚砂等细小的球状或类球状金属颗粒，以一定的压力向金属材料的表面进行喷射，以使得金属颗粒附着在金属材料的表面。喷丸处理可采用喷丸机进行。喷丸处理能够改变金属材料的表面形貌和表面性能。尤其，喷丸处理能够提高金属材料的空蚀抗性。本发明实施例的喷丸处理能够实现上述效果的原因在于，喷丸处理使得金属材料的表面形成梯度纳米晶结构。
66.空蚀现象是指：在一定温度条件、压力条件或湿度条件下，金属材料的表面因液体介质局部压力变化，致使空泡形成和溃灭而产生的破坏现象。
67.具体而言，空蚀现象是指液体由于高速流动或扰动导致内部压强降低的现象。当局部压强降低到某一临界值后，在液体内部或液体与固体交界面处会形成含有液体蒸汽或其它气体的空泡(即：空穴)。当这些空泡流经压强较高的区域时，空泡将急剧减小、发生溃灭的现象。这些空泡溃灭时，会产生极高的温度、或瞬时压强、极快的微射流。其中，瞬时压强的量级可高达吉帕量级，微射流的速度可高达600米/秒钟。
68.空蚀现象会降低金属材料的机械强度和使用寿命。当金属材料应用于例如高速螺
旋桨、高速鱼雷、超声波系统、水翼、水泵、水轮机、水工泄水建筑物等设备及器件之中时，金属材料的空蚀现象都难以避免。
69.此外，在工业领域，对金属材料进行超声波处理或使得金属材料长期在超声波环境下工作，都是不可避免的。超声波被广泛的应用在超声清洗、有机物降解或催化、目标成分萃取、杀菌消毒等诸多领域。超声波是一种弹性机械振动波，其在例如水的介质中传播。在这一过程中，超声波存在膨胀和压缩的过程。如果超声波能量足够强，其膨胀过程会在液体介质中生成气泡或将液体撕裂成很小的空穴，这些气泡的瞬间闭合也会导致空蚀现象的出现。换言之，超声波会不断冲击金属材料表面，导致金属材料表面产生裂纹，发生疲劳脱落，最终造成零件破坏失效。即：超声波处理导致的空蚀现象加速了金属材料老化损坏速度。
70.不限于任何理论，发明人在获得本发明创造的过程中发现，空蚀现象与金属材料的组织结构(即：晶体结构、晶体大小、堆垛层错)和表面状态(即：粗糙度、氧化膜性能)有紧密的关系。此外，空蚀现象对金属材料的力学性能(硬度、塑性、韧性、强度)有着重要影响。
71.为了提高金属材料的空蚀抗性，本发明实施例通过喷丸处理，在金属材料表面生成一层梯度纳米晶结构。梯度纳米晶结构可有效抑制疲劳裂纹的萌生。其中，梯度纳米晶结构的晶粒尺寸由表面之上由内向外地逐渐变小。即：梯度纳米晶结构由内向外地包括粗晶粒结构和细晶粒结构。当金属材料表面受到冲击时，梯度纳米晶结构使得同样的形变量可能在更多的晶粒中发生，产生较为均匀的变形，而不致造成因局部应力集中而引起裂纹过早的萌生和发展。并且，梯度纳米晶结构在循环载荷作用下，外部顶层的细晶结构由于其高强度的特性，可有效抑制疲劳裂纹的萌生，而内部芯层的粗晶粒结构可阻碍裂纹扩展。在上述机制的共同作用下，本发明实施例显著提高了金属材料的空蚀抗性，提高金属材料的力学性能、机械强度和使用寿命。本发明实施例提供的金属材料尤其适用于在气液两相的环境中使用。
72.在本实施例的部分实施方式中，在执行对金属材料进行喷丸处理之前，加工方法还包括：对金属材料的表面进行热处理。
73.具体而言，图2为本发明一个实施例的金属材料的加工方法的步骤流程图之二。如图2所示，本实施方式提供的金属材料的加工方法包括：
74.步骤s202，对金属材料的表面进行热处理；
75.步骤s204，对金属材料的表面进行喷丸处理，使金属材料的表面形成梯度纳米晶结构。
76.热处理可采用电阻炉、马弗炉等热处理设备进行。热处理的执行顺序在喷丸处理之前进行。热处理可使得金属材料出现一定程度的固溶现象。因此，本实施例的热处理亦可理解为固溶处理。热处理的目的在于消除原始供货状态的金属材料可能存在的缺陷，并由此获得组织均匀的、可供喷丸处理的材料。
77.热处理步骤能够有效消除金属材料表面的微观缺陷。由于喷丸处理采用球状金属介质进行，并且球状金属介质以一定的压力被喷射在金属材料之上。因此，如果金属材料的表面存在较多的例如微裂纹的缺陷，则喷丸处理可能使得金属材料表面原本存在的微观缺陷进一步扩大或扩展。因此，在执行喷丸处理之前，对金属材料进行热处理，不仅能够降低金属材料的表面缺陷，还有利于保证后续喷丸处理的顺利进行，并有效保证金属材料的力
学性能和机械强度。
78.在本实施例的部分实施方式中，热处理的温度范围为550摄氏度至1150摄氏度。
79.在本实施例的部分实施方式中，热处理的时间范围为30分钟至120分钟。
80.需要说明的是，不同种类的金属材料适用于不同的热处理温度和热处理时间。
81.举例而言，可在550摄氏度至650摄氏度的温度范围内对ta2工业纯钛金属材料进行时间为60分钟至120分钟的热处理。
82.再次举例而言，可在1000摄氏度至1150摄氏度的温度范围内对304不锈钢金属材料进行时间为30分钟至60分钟的热处理。
83.在以上温度范围和时间范围内合理控制和选择热处理的具体工艺参数，能够合理控制金属材料中的固溶程度，有效消除金属材料的表面缺陷。
84.在本实施例的部分实施方式中，在执行对金属材料的表面进行热处理之后，在执行对金属材料的表面进行喷丸处理之前，加工方法还包括：对金属材料的表面进行酸洗处理。
85.具体而言，图3为本发明一个实施例的金属材料的加工方法的步骤流程图之三。如图3所示，本实施方式提供的金属材料的加工方法包括：
86.步骤s302，对金属材料的表面进行热处理；
87.步骤s304，对金属材料的表面进行酸洗处理；
88.步骤s306，对金属材料的表面进行喷丸处理，使金属材料的表面形成梯度纳米晶结构。
89.酸洗处理的目的在于消除热在金属材料表面生成的氧化层，避免氧化层对后续处理工艺带来的不利影响。
90.在本实施例的部分实施方式中，酸洗处理采用的酸洗介质包括以下至少之一或其组合：硫酸、盐酸、氢氟酸、有机酸。
91.其中，酸洗介质具体为以上酸或以上酸的组合的水溶液。酸洗介质的浓度和种类可由本领域技术人员进行选择和调整。
92.举例而言，酸洗介质可为有机酸，有机酸具体为醋酸或柠檬酸或hw-008型有机酸中的至少之一或其组合。
93.再次举例而言，酸洗介质可为由浓度为20％的硫酸和浓度为1％的氢氟酸组成的混合酸。
94.酸洗处理的时间范围可为15分钟至30分钟。酸洗处理可由操作人员手动进行，亦可将金属材料至于超声波设备中，在进行酸洗处理时，辅助施加超声波，以提高酸洗的效率和效果。
95.在本实施例的部分实施方式中，在执行对金属材料的表面进行酸洗处理之后，在执行对金属材料的表面进行喷丸处理之前，加工方法还包括：对金属材料的表面进行打磨处理和/或清洗处理。
96.具体而言，图4为本发明一个实施例的金属材料的加工方法的步骤流程图之四，如图4所示，实施方式提供的金属材料的加工方法包括：
97.步骤s402，对金属材料的表面进行热处理；
98.步骤s404，对金属材料的表面进行酸洗处理；
99.步骤s406，对金属材料的表面进行打磨处理和/或清洗处理；
100.步骤s408，对金属材料的表面进行喷丸处理，使金属材料的表面形成梯度纳米晶结构。
101.打磨处理和/或清洗处理有助于保证金属材料的表面清洁、光滑，以保证在进行后续的喷丸处理时，喷丸介质能够顺利地附着在金属材料的表面。
102.打磨处理和/或清洗处理均可由操作人员手动进行。比如，操作人员可依次采用180
#
至1200
#
的砂纸对经过酸洗处理的金属材料进行人工打磨处理。再比如，操作人员还可采用砂轮、抛光机等设备对经过酸洗处理的金属材料进行机械打磨处理。
103.在本实施例的部分实施方式中，在执行对金属材料进行喷丸处理之后，加工方法还包括：对金属材料的表面进行清洗处理。
104.本领域技术人员可对步骤s406中打磨处理和/或清洗处理采用的介质和设备进行选择，只要不破坏梯度纳米晶结构的组织或整体结构即可。
105.具体而言，图5为本发明一个实施例的金属材料的加工方法的步骤流程图之五，如图5所示，实施方式提供的金属材料的加工方法包括：
106.步骤s502，对金属材料的表面进行热处理；
107.步骤s504，对金属材料的表面进行酸洗处理；
108.步骤s506，对金属材料的表面进行打磨处理和/或清洗处理；
109.步骤s508，对金属材料的表面进行喷丸处理，使金属材料的表面形成梯度纳米晶结构；
110.步骤s510，对金属材料的表面进行清洗处理。
111.步骤s510中清洗处理的目的在于去除金属材料表面因喷丸处理而产生的杂质。本领域技术人员可对步骤s510中清洗处理采用的清洗介质和清洗设备进行选择，只要不破坏梯度纳米晶结构的组织或整体结构即可。
112.举例而言，本实施方式可采用去离子水、丙酮、乙醇等介质作为清洗介质，亦可以超声波清洗装置作为辅助手段，实现对金属材料的高效、彻底清洗。
113.在本实施例的部分实施方式中，喷丸处理的施加压力范围为0.3兆帕至0.6兆帕。
114.在本实施例的部分实施方式中，喷丸处理的施加时间范围为2分钟至15分钟。
115.在本实施例的部分实施方式中，喷丸处理的施加距离范围为80毫米至100毫米。
116.在本实施例的部分实施方式中，喷丸处理的喷射角度范围为85
°
至95
°
。
117.在本实施例的部分实施方式中，喷丸处理的覆盖率范围为95％至98％。
118.在本实施例的部分实施方式中，喷丸处理的喷丸介质直径范围为0.4毫米至0.6毫米。
119.上述工艺参数可使得金属材料的表面生成一层顶部表面组织为细晶，内部芯层的组织为粗晶的梯度纳米晶结构。当金属材料表面受到冲击时，梯度纳米晶结构使得同样的形变量可能在更多的晶粒中发生，产生较为均匀的变形，而不致造成因局部应力集中而引起裂纹过早的萌生和发展。并且，梯度纳米晶结构在循环载荷作用下，外部顶层的细晶结构由于其高强度的特性，可有效抑制疲劳裂纹的萌生，而内部芯层的粗晶粒结构可阻碍裂纹扩展。由此，本实施方式显著提高了金属材料的空蚀抗性，提高金属材料的力学性能、机械强度和使用寿命。本发明实施例提供的金属材料尤其适用于在气液两相的环境中使用。
120.本发明的实施例还提供了一种金属材料100，金属材料100采用如本发明任一实施方式的金属材料的加工方法获得。
121.图6为本发明一个实施例的金属材料的梯度纳米晶结构的示意图。如图6所示，本发明实施例的金属材料100包括：梯度纳米晶结构110。梯度纳米晶结构110形成于金属材料100的表面102。其中，喷丸处理使金属材料100的表面形成被处理面，梯度纳米晶结构110的结构单元尺寸自被处理面由外向内地逐渐增大。
122.换言之，梯度纳米晶结构110的形貌或形态在空间上，呈现梯度变化的特性。即：梯度纳米晶结构110在纳米尺度上的尺寸具有从外部顶层到内部芯层逐步增加的趋势。
123.本发明实施例的金属材料100具有如本发明任一实施例的金属材料的加工方法的全部有益效果，在此不再赘述。
124.在本实施例的部分实施方式中，梯度纳米晶结构110的结构单元尺寸包括：梯度纳米晶结构110的晶粒尺寸。
125.在本实施例的部分实施方式中，梯度纳米晶结构110的结构单元尺寸包括：梯度纳米晶结构110的层片厚度尺寸。
126.结构单元尺寸是指梯度纳米晶结构110在微观尺度上的最小单元，比如晶粒或存在团聚现象的晶粒团簇。本发明的实施例的梯度纳米晶结构110具有在结构单元尺寸上逐渐呈现梯度变化的特性。即：梯度纳米晶结构110的晶粒尺寸或层片厚度尺寸从外部顶层到内部芯层逐步增加。其中，上述形态的梯度纳米晶结构110形成于金属材料100的表面102，其能够通过例如显微电镜的设备进行观测。梯度纳米晶结构110在金属材料100的表面102连续分布或间隔分布，其具体的形貌和尺寸受到加工工艺的影响。晶粒尺寸或层片厚度尺寸逐步变化的梯度纳米晶结构110使得金属材料100在受到冲击时产生较为均匀的变形，避免微裂纹的萌生和发展。
127.在本实施例的部分实施方式中，梯度纳米晶结构110包括以下至少之一或其组合：孪晶形态的梯度纳米晶结构、错位形态的梯度纳米晶结构、层片结构的梯度纳米晶结构、柱状结构的梯度纳米晶结构。
128.孪晶形态的梯度纳米晶结构110是指两个晶体或一个晶体的两个部分共用一个晶面的梯度纳米晶结构110。错位形态的梯度纳米晶结构110是指微观尺度下局部位置或全部位置出现交错或变形的梯度纳米晶结构110。层片结构的梯度纳米晶结构110是指在微观尺度下具体层状或片状结构的梯度纳米晶结构110。柱状结构的梯度纳米晶结构110是指沿金属材料100表面102向外生长的凸起形态的梯度纳米晶结构110。
129.在本实施例的部分实施方式中，梯度纳米晶结构110的硬度自靠近表面102的一端向远离表面102的一端逐渐减小。
130.在本实施例的部分实施方式中，梯度纳米晶结构110的晶粒尺寸范围为10纳米至50纳米。
131.在本实施例的部分实施方式中，梯度纳米晶结构110的厚度范围为100微米至600微米。
132.在本实施例的部分实施方式中，梯度纳米晶结构110的维氏硬度范围为300千克力/平方毫米至700千克力/平方毫米。
133.梯度纳米晶结构110的硬度变化、梯度纳米晶结构110的晶粒尺寸范围、度纳米晶
结构110的厚度范围、梯度纳米晶结构110的维氏硬度范围等特性或属性由本发明实施例的加工方法点决定。本发明实施例的加工方法可有效提高金属材料100的硬度，使得金属材料100的表面102形成粒度分布均匀。厚度合理的梯度纳米晶结构110。
134.在本实施例的部分实施方式中，金属材料100包括以下至少之一或其组合：钢材质的金属材料、铁材质的金属材料、镍材质的金属材料、钴材质的金属材料、金材质的金属材料、银材质的金属材料、铜材质的金属材料、铝材质的金属材料、钛材质的金属材料、镁材质的金属材料。
135.本实施方式的金属材料100可为以上材质的金属材料100，亦可为包括以上材质中的两种或两种以上的合金材料。本发明实施例适用于对各种金属材料100的加工处理，能够普遍地提高各种金属材料100的空蚀抗性。
136.实施例1：
137.本实施例对304不锈钢金属材料进行加工处理。首先，为了消除304不锈钢金属材料的原始组织缺陷，本实施例对304不锈钢金属材料以实施热处理的方式进行固溶处理。
138.热处理在马弗炉中进行，热处理的温度范围为1000摄氏度至1150摄氏度，上述温度范围内的保温时间为30分钟至60分钟。保温结束后，对304不锈钢金属材料进行水冷冷却。图7为经过热处理的304不锈钢金属材料的金相组织图。如图7所示，热处理步骤极大地消除了304不锈钢金属材料表面的微观缺陷。
139.在热处理之后，为了消除热处理在304不锈钢金属材料产生的氧化层，本实施例采用hw-008型有机酸，对304不锈钢金属材料进行酸洗处理。酸洗处理的时间为15分钟至30分钟。
140.在酸洗处理之后，本实施例依次采用180#至800#的砂纸，对304不锈钢金属材料进行打磨处理。
141.在打磨处理之后，本实施例采用丙酮，对304不锈钢金属材料进行超声波清洗处理。清洗处理的时间为20分钟至30分钟。
142.在清洗处理之后，本实施例利用喷丸机，对304不锈钢金属材料进行喷丸处理。其中喷丸压力为0.3兆帕至0.6兆帕。喷丸介质的覆盖率为95％至98％。喷丸机的喷嘴与304不锈钢金属材料形成的喷射角度为85
°
至95
°
。喷嘴与304不锈钢金属材料的距离控制在80毫米至100毫米。喷丸介质的材质为304不锈钢。喷丸介质为球状或颗粒状，其直径为0.5毫米(正负误差0.1毫米)。
143.在喷丸处理之后，对304不锈钢金属材料进行超声波清洗处理。其中，清洗液为丙酮，清洗时间为5分钟至10分钟。
144.图8为经过压力为0.3兆帕的喷丸处理的304不锈钢金属材料的金相组织图。图9为经过压力为0.4兆帕的喷丸处理的304不锈钢金属材料的金相组织图。图10为经过压力为0.5兆帕的喷丸处理的304不锈钢金属材料的金相组织图。图11为经过压力为0.6兆帕的喷丸处理的304不锈钢金属材料的金相组织图。
145.如图8至图11所示，喷丸处理使得304不锈钢金属材料的表面形成了梯度纳米晶结构。梯度纳米晶结构的表面晶粒细化后，大幅度提高304不锈钢金属材料的表面硬度，增加了304不锈钢金属材料的抵御变形的能力。当304不锈钢金属材料的表面受到冲击时，由于晶粒细化，可以将变形均匀分布在更多晶粒中，极大的抑制了裂纹源的萌生。因此本实施例
在304不锈钢金属材料的表面获得的梯度纳米晶结构有利于提高材料表面空蚀抗性，提高304不锈钢金属材料的力学性能、机械强度和使用寿命。
146.图12为经过不同压力的喷丸处理的304不锈钢金属材料之上不同位置的硬度变化趋势图。如图12所示，喷丸处理有效提高了304不锈钢金属材料的表面硬度。304不锈钢金属材料在喷丸处理后的硬度提升了约3倍，随着离表层距离的增大，304不锈钢金属材料的硬度逐渐降低，最终过渡到304不锈钢金属材料的基体硬度。
147.图13为经过不同压力的喷丸处理的304不锈钢金属材料的x射线衍射图谱。如图13所示，衍射峰(111)、(110)、(200)、(131)、(220)、(211)、(311)和(222)的半高宽逐渐变宽。这一现象说明，经过喷丸处理后，304不锈钢金属材料的梯度纳米晶结构的顶层晶粒组织显著细化，通过德拜谢乐(debye-scherrer)公式，可根据半高宽粗略估算出顶层晶粒尺寸的为35.23纳米。
148.实施例2：
149.本实施例对ta2型工业纯钛金属材料进行加工处理。ta2型工业纯钛金属材料在退火后的抗拉强度约为500兆帕至700兆帕，其密度较小，材质轻盈，生物相容性好，抗腐蚀能力优良，是超声波萃取系统的首选材料之一。当ta2型工业纯钛金属材料作为零部件时，由于其表面硬度低，空蚀现象较为严重。
150.为了提高ta2型工业纯钛金属材料的空蚀抗性，本实施例首先对ta2工业纯钛金属材料进行热处理，热处理的温度范围为550摄氏度至650摄氏度，保温时间为60分钟至120分钟后随炉冷却。图14为经过热处理的ta2工业纯钛金属材料的金相组织图。如图14所示，热处理可获得平均晶粒尺寸在50微米至100微米的金相组织。
151.在热处理之后，为了消除热处理在ta2工业纯钛金属材料产生的氧化层，本实施例采用浓度为20％的硫酸与浓度为1％的氢氟酸混合，对ta2工业纯钛金属材料进行酸洗处理。酸洗处理的时间为15分钟至30分钟。
152.在酸洗处理之后，本实施例依次采用500#至2000#的砂纸，对ta2工业纯钛金属材料进行打磨处理。
153.在打磨处理之后，本实施例采用丙酮，对ta2工业纯钛金属材料进行超声波清洗处理。清洗处理的时间为20分钟至30分钟。
154.在清洗处理之后，本实施例利用喷丸机，对ta2工业纯钛金属材料进行喷丸处理。其中喷丸压力为0.5兆帕至0.6兆帕。喷丸处理的时间为2分钟至15分钟。喷丸介质的覆盖率为95％至98％。喷丸机的喷嘴与ta2工业纯钛金属材料形成的喷射角度为85
°
至95
°
。喷嘴与ta2工业纯钛金属材料的距离控制在80毫米至100毫米。喷丸介质的材质为ta2工业纯钛。喷丸介质为球状或颗粒状，其直径为0.5毫米(正负误差0.1毫米)。
155.在喷丸处理之后，对304不锈钢金属材料进行超声波清洗处理。其中，清洗液为酒精，清洗时间为5分钟至10分钟。
156.图15为经过施压时间为2分钟的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料的金相组织图。图16为经过施压时间为5分钟的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料的金相组织图。图17为经过施压时间为8分钟的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料的金相组织图。图18为经过施压时间为10分钟的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料的金相组织图。如图15至图18所示，喷丸处理使得ta2工业纯钛金属材料的表面形成了梯度纳米晶结构。
157.图19为经过不同压力的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料之上不同位置的硬度变化趋势图。未处理ta2工业纯钛金属材料的显微硬度约为224.5千克力/平方毫米，经过喷丸处理后ta2工业纯钛金属材料的表层硬度在425千克力/平方毫米至475千克力/平方毫米。相比于未处理样品，本实施例的ta2工业纯钛金属材料的硬度提高了约2倍。其中，随着喷丸时间的延长，表面硬度逐步有所提高。对于不同喷丸参数下的ta2工业纯钛金属材料样品，随着离表层距离的增大，其硬度逐渐降低，最终过渡到ta2工业纯钛金属材料的基体硬度。
158.图20为经过不同压力的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料的x射线衍射图谱。从图20中可以看出，衍射峰(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)的半高宽逐渐变宽，这一现象表明在喷丸过程中，ta2工业纯钛金属材料表面晶粒发生了显著细化、晶格产生畸变通过德拜谢乐(debye-scherrer)公式可以粗略估算出顶层晶粒尺寸。其中，施压时间为2分钟的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料的顶层平均晶粒尺寸为57纳米。施压时间为5分钟的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料的顶层平均晶粒尺寸为45纳米。施压时间为8分钟的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料的顶层平均晶粒尺寸为32纳米。施压时间为10分钟的喷丸处理的ta2工业纯钛金属材料的顶层平均晶粒尺寸为34纳米。以上表面晶粒尺寸均可以达到纳米量级。喷丸时间延长有助于表面晶粒的进一步细化，但是当时间延长至8min后，细晶无法继续细化。
159.图21为金属材料的在加工前后的ta2工业纯钛金属材料空蚀损失量对比图。如图21所示，通过失重实验可以看出，经过处理后的ta2工业纯钛金属材料空蚀的空蚀量显著下降，其中0.6mpa压力条件，2分钟处理时间获得的ta2工业纯钛金属材料的空蚀抗性最佳，造成该现象的原因在于：该参数下样品的硬度得到了提升，同时其表面微裂纹较少。
160.综上，本发明实施例的有益效果为：本发明实施例通过喷丸处理，在金属材料表面生成一层梯度纳米晶结构。梯度纳米晶结构可有效抑制疲劳裂纹的萌生。当金属材料表面受到冲击时，梯度纳米晶结构使得同样的形变量可能在更多的晶粒中发生，产生较为均匀的变形，而不致造成因局部应力集中而引起裂纹过早的萌生和发展。并且，梯度纳米晶结构在循环载荷作用下，外部顶层的细晶结构由于其高强度的特性，可有效抑制疲劳裂纹的萌生。因此，本发明实施例显著提高了金属材料的空蚀抗性，提高金属材料的力学性能、机械强度和使用寿命。
161.在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
162.本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
163.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实
例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
164.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。