一种提高金属合金强度和塑性的复合强化方法

本发明属于金属材料力学性能强化，特别涉及一种提高金属合金强度和塑性的复合强化方法。

背景技术：

1、高强、多功能轻质合金可满足轻量化和结构/功能一体化的设计需求，是航空航天、船舶和海洋工程等高端装备制造领域不可替代的关键基础材料。但是轻质合金关键构件的服役环境苛刻，在长期的外界循环载荷作用下极易实现疲劳失效。如何有效抑制轻质合金构件的疲劳与失效已成为高端装备制造领域亟需解决的关键问题。

2、离子注入是将一种或几种元素电离，使其加速形成加速电场，并最终以高速射入目标材料的强化技术。离子注入通过在轻质合金表层引入残余压应力和重构缺陷结构，可以有效提高材料的表面力学性能，是提高金属材料服役寿命的有效手段。但是，离子注入强化技术诱导的强化层较浅，这限制了离子注入技术的广泛应用。

3、深冷温度利用体积收缩效应可以在金属材料内部诱导内应力和变形能，内应力促进位错的产生与增殖，位错的聚集与攀移有助于促进晶粒细化。但是，深冷处理诱导的残余压应力幅值小，对金属材料的强塑性、抗疲劳等力学性能的提高不显著。

4、相比于温度场，电脉冲利用热-电-力耦合效应诱导的瞬时高能场可以在金属材料中诱发异于常态的微观结构，在调控金属材料力学性能方面表现出显著优势。但是电脉冲通过调控材料的微观结构可以实现塑性的显著提高，而强度的增益效果并不突出。

5、因此，如何开发出一种新型的复合强化方法，既可以同时提高金属的强度和塑性，又能够诱导幅值大且稳定性强的残余压应力层，进而提升金属材料的综合力学性能，是机械领域亟需解决的技术难题之一。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种提高金属合金强度和塑性的复合强化方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种提高金属合金强度和塑性的复合强化方法，包括以下步骤：

4、步骤一：将金属合金试样表面进行打磨去除表面的氧化层，再进行抛光处理，然后置于丙酮溶液中进行超声波清洗，最后放入真空干燥箱中备用；

5、步骤二：将步骤一预处理后的金属合金试样进行离子注入强化处理；

6、步骤三：利用喷涂法在步骤二离子注入强化处理后的金属合金试样表面涂覆纳米颗粒；

7、步骤四：对步骤三处理后的金属合金试样进行深冷处理；

8、步骤五：将步骤四深冷处理后的金属合金试样在深冷温度下进行电脉冲处理；

9、步骤六：将步骤五处理后的金属合金试样继续在深冷温度下保温30～60min，然后取出，升至室温，升温速率为20～50℃/min。

10、作为优选，金属合金为钛合金、铝合金、镍基合金或镁合金中的任一种；金属合金试样的厚度为0.5～20mm。

11、作为优选，步骤二所述离子注入的工艺参数为：离子注入元素为金属离子或非金属离子中的任一种，离子注入的温度为常温，加速电压为45kv，束流为0.01～0.5ma，注入时间为0.5～10h，注入剂量为0.75×1017～2.5×1018ions/cm2；其中，所述金属离子为ti、al或ni中的任一种，所述非金属离子为n、ar或he中的任一种。

12、作为优选，步骤三所述纳米颗粒为纯铝、黑胶带或黑漆纳米颗粒中的任一种，所述纳米颗粒的尺寸为50～200nm；所述纳米颗粒涂覆的厚度为50～100μm。

13、作为优选，步骤四所述深冷处理温度范围为-196～-150℃，深冷处理的保温时间为2～10h。深冷处理的目的是利用深冷温度下体积收缩效应产生的内应力使试样整体发生位错增殖和晶粒细化等缺陷，同时提高注入离子的扩散范围。

14、作为优选，步骤五所述电脉冲处理的工艺参数为：电压为50～150v，频率为50～1000hz，脉宽为10～100μs，电脉冲处理时间为30～180min。利用电脉冲的电致塑性效应可以提高金属合金的塑性；同时，电脉冲的持续作用使金属试样表面产生热量，产生的热量使液氮急剧气化膨胀，形成气泡破裂时产生瞬时高能高压使试样表面涂覆的纳米颗粒吸收能量形成高温、高压的等离子体冲击波，作用于试样表层，利用液氮对等离子体冲击波的约束作用提高冲击波的峰值压力以及延长作用时间，使材料表层发生剧烈的塑性变形而产生高密度缺陷和高幅值的残余压应力。此外，利用等离子体冲击波作用于试样表面加速注入离子的扩散速度，进一步提高注入离子的渗透能力。最后，在电脉冲强化处理试样过程中，利用液氮的深冷温度抑制微观缺陷的动态回复，提高试样的强化性能及其稳定性。

15、有益效果为：

16、本发明综合利用离子注入、深冷处理和点脉冲处理等工艺各自的优势，提出一种提高金属合金强度和塑性的复合强化方法，其中离子注入在金属合金表面产生压应力；深冷处理使金属合金发生位错增殖和晶粒细化等缺陷，提高注入离子的扩散范围；电脉冲处理提高金属合金的塑性，使材料表层发生剧烈的塑性变形而产生高密度缺陷和高幅值的残余压应力，同时提高注入离子的渗透能力。

技术特征：

1.一种提高金属合金强度和塑性的复合强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的提高金属合金强度和塑性的复合强化方法，其特征在于，所述的金属合金试样的材质为钛合金、铝合金、镍基合金或镁合金中的任一种；金属合金试样的厚度为0.5～20mm。

3.根据权利要求1所述的提高金属合金强度和塑性的复合强化方法，其特征在于，步骤二所述离子注入的工艺参数为：离子注入元素为金属离子或非金属离子中的任一种，离子注入的温度为常温，加速电压为45kv，束流为0.01～0.5ma，注入时间为0.5～10h，注入剂量为0.75×1017～2.5×1018ions/cm2；其中，所述金属离子为ti、al或ni中的任一种，所述非金属离子为n、ar或he中的任一种。

4.根据权利要求1所述的提高金属合金强度和塑性的复合强化方法，其特征在于，步骤三所述纳米颗粒为纯铝、黑胶带或黑漆纳米颗粒中的任一种，所述纳米颗粒的尺寸为50～200nm；所述纳米颗粒涂覆的厚度为50～100μm。

5.根据权利要求1所述的提高金属合金强度和塑性的复合强化方法，其特征在于，步骤四所述深冷处理温度范围为-196～-150℃，深冷处理的保温时间为2～10h。

6.根据权利要求1所述的提高金属合金强度和塑性的复合强化方法，其特征在于，步骤五所述电脉冲处理的工艺参数为：电压为50～150v，频率为50～1000hz，脉宽为10～100μs，电脉冲处理时间为30～180min。

技术总结
本发明属于金属材料力学性能强化技术领域，具体涉及一种提高金属合金强度和塑性的复合强化方法。包括以下步骤：(1)将金属合金试样进行表面预处理；(2)对预处理后的金属合金试样进行离子注入加工；(3)在离子注入处理后的金属合金试样表面涂覆一层纳米颗粒；(4)将表面涂覆纳米颗粒的金属合金试样进行深冷处理；(5)将深冷处理后的金属合金试样进行电脉冲处理；(6)将电脉冲处理后的金属合金试样进行深冷保温处理。本发明能够有效提高金属合金的强度和塑性。

技术研发人员：李京,卢玮宁,刘麟,邱晓来,冯爱新,武兴,潘海军,赵玉杰,季敏,朱文胜,王为周
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15