一种镍基合金纳米孪晶化超高硬度表面形成方法
【技术领域】
[0001]本发明属于镍基合金塑性成形技术领域，涉及镍基合金的精密塑性成形方法，特别涉及一种镍基合金纳米孪晶化超高硬度表面形成方法。
【背景技术】
[0002]镍基合金是航空、航天、核电、海洋等领域不可或缺的关键零部件材料，是一个国家产业先进与否的反映，也是一个国家工业先进的重要指标之一。镍基合金超高硬度表面是国家的重大需求，如核主泵主轴、轴承、航空发动机主轴、轴承、镍基合金受力关键零部件表面，以及镍基合金的运动副表面，均需要耐磨抗疲劳的高性能表面，这就需要镍基合金表面具有超高硬度，同时保持塑性。
[0003]目前提高合金表面硬度主要有三种方法:(I)第三方原子嵌入，由于嵌入原子与本体原子间的直径不同，因此会形成应力，阻碍位错的滑移，从而提高材料的硬度；(2)增加晶界，也可以阻碍位错的滑移；(3)形成共格晶界-孪晶。前两种方法获得的硬度提高都是以牺牲材料的塑性为前提，因此难以在工程上应用。孪晶既可以提高材料的硬度，又可以保持塑性，具有重大的工程应用前景。体现在技术上，涂层以及激光冲击强化等方法，可以提高硬度，但是一般也是以塑性的降低为代价。涂层由于受冲击后容易脱落，在航空发动机以及核主泵等领域是严格禁止使用的。激光冲击强化一般硬度提高可达4-6倍。据《Science》报道，纳米孪晶铜可以提高硬度10倍，同时保持塑性和导电性。但是，目前的纳米孪晶技术主要集中于单质铜，而单质元素由于力学性能的限制，很少在工程领域应用，工程领域应用广泛的是合金。
[0004]纳米孪晶的制造技术主要有表面机械碾压法、表面机械研磨法以及动态塑性变形法等。这几种方法据《Science》报道，硬度最高可提高10倍，而且主要集中于纳米孪晶铜。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种镍基合金纳米孪晶化超高硬度表面形成方法，解决镍基合金表面硬度低不抗磨损的难题。
[0006]本发明的技术方案是样品为镍基合金，采用超精密磨削和低碳钢抛光的方法制造亚微米曲率半径金刚石针尖，针尖的曲率半径为100nm-900nm，投影角度为90-150°，形状为三棱锥或四棱锥，将金刚石针尖安装于纳米压痕仪或显微硬度计上，进行纳米压印，载荷为0.1-2N，表面的硬度较原合金可提高20-40倍，达到天然金刚石的硬度，形成镍基合金超高硬度表面，表面由纳米孪晶构成，纳米孪晶是由一个厚度多15nm的孪晶片伴随一个或者几个<15nm的孪晶片形成阵列组成，同时能够承受100次循环加载，加载后表面无裂纹，完好如初，保持了塑性。
[0007]样品为镍基合金。镍基合金广泛应用于航空、航天、海洋、核电、化学管道输运、高温合金、抗腐蚀合金等领域，是一种附加值极高的材料，也是应用广泛的工程材料，可以做成板、线、管材，除了满足国家高尖端领域的需求外，在民用产品上也有广泛的需求。因此，选择镍基合金作为原材料，具有重大的工程应用前景。
[0008]金刚石针尖的原料为天然金刚石，金刚石针尖与杆体的固定采用高频焊接的方法，用镍基和钴基合金粉末作为熔融材料。天然金刚石的硬度极高，里面含有的杂质非常少，纯度高，因此选作纳米压印针尖的原材料。由于要承受无数次的循环压印载荷，因此选择Imm尺寸的天然金刚石。根据天然金刚石的纹理，选择最硬的(111)面作为压印面，并做记号标记。将45#钢杆体钻出一个小洞，尺寸为金刚石的两倍，缝隙中用镍基合金或者钴基合金粉末填充，在石墨棒上钻出一个比金刚石略大的小孔，压住金刚石。采用高频焊接的方法熔融填充粉体，将金刚石固定在杆体上。
[0009]采用超精密磨削和低碳钢抛光的方法制造亚微米曲率半径金刚石针尖，针尖的曲率半径为200-900nm，投影角度为90-150°，形状为三棱锥或四棱锥。采用超精密磨削的方法加工亚微米曲率半径金刚石针尖。将天然金刚石固定于分度装置中，砂轮的磨削转速为3000-5000rpm，磨粒尺寸依次为40、20、5 μ m，为树脂结合剂金刚石砂轮，最终的超精密磨削砂轮为陶瓷结合剂金刚石砂轮，砂轮的磨粒尺寸为2 μπι。砂轮的磨削深度为1-10 μ m/min。超精密磨削完成后，采用15#钢进行抛光。15#钢为低碳钢，金刚石刀具不能用于加工钢铁材料，尤其在高温下。本方案正是利用金刚石在高温下容易碳化的不利性质进行抛光。砂轮的转速为5000rpm，磨削进给量为200-500nm/min。利用砂轮和金刚石针尖产生的磨削热，使得金刚石针尖的碳原子向低碳钢渗透，实现金刚石针尖表面的抛光，从而使得金刚石针尖锋利，表面光滑。采用超精密磨削和低碳钢抛光的组合方法即可获得亚微米曲率半径金刚石针尖。考虑针尖的抗磨损性能，针尖的投影角度为90-150°，针尖的曲率半径为200-900nm。由于三角形的形状非常稳固，因此压痕最好为三角形组成的图案，因此将针尖形状选为三棱锥或四棱锥。
[0010]将金刚石针尖安装于纳米压痕仪或显微硬度计上，进行压印，载荷为0.2-2N，加载时间为Ι-lOs，保载时间为l_5s，卸载时间为l-5s。将金刚石针尖的杆体加工成纳米压痕仪或者显微硬度计所需的针尖的形状，然后将金刚石针尖的杆体安装于纳米压痕仪或者显微硬度计上，进行压印。由于纳米孪晶的形成需要临界应力，因此只有在一定的载荷下才能产生纳米孪晶，而载荷过大，也对形成纳米孪晶不利，导致硬度降低，通过实验，载荷在0.2-2N范围内形成的镍基合金表面硬度最高，因此选择0.2-2N为加载载荷。加载时间对纳米孪晶的形成也有重要的影响，考虑压印时间及效果，选择加载时间为Ι-lOs，保载时间为l-5s，卸载时间为l_5s。
[0011]设定金刚石针尖的水平和垂直方向的移动距离为压痕尺寸，依次压印镍基合金表面，三棱锥针尖压满表面后，将样品旋转180°，针尖水平和垂直方向的移动距离同样为压痕尺寸，在空隙处进行压印，压满镍基合金表面。选择合适的载荷进行压印，在光学显微镜下观看压痕的尺寸，根据此尺寸设定针尖水平和垂直方向的压痕移动距离，进行压印，压印后再观察压印表面是否符合要求，然后稍作调整，直到选择合适的距离为止。然后进行自动设置压印，压印满镍基合金表面。使用三棱锥的针尖进行单次压印后，每两个针尖出现一个针尖的空隙，压满表面后，将样品旋转180度，再设置水平和垂直的同样的移动距离，在空隙处进行压印，即可压满整个表面。
[0012]压印完成后，用同样的载荷在压印部位测试硬度，表面的硬度较原合金可提高20-40倍，达到100-120GPa。压印完成后，采用同样的针尖在压痕内进行硬度测试，发现加载卸载曲线会大幅度左移，这是由于亚表面形成了纳米孪晶结构，硬度可以达到100-120GPa，较原合金可提高硬度20-40倍，达到天然金刚石的硬度，形成镍基合金超高硬度表面。
[0013]镍基合金超高硬度表面由纳米孪晶构成，纳米孪晶是由一个厚度多15nm的孪晶片伴随一个或者几个<15nm的孪晶片形成阵列组成，纳米孪晶具有单向连续无晶界的特征。孪晶尺寸多15nm时起到硬化效果，而孪晶尺寸<15nm时起到软化效果。具有硬化和软化效果的孪晶可以产生协同作用，从而使得硬度大幅度提高。纳米孪晶是由一个厚度多15nm的孪晶片伴随一个或者几个<15nm的孪晶片形成阵列，是一种新型的纳米孪晶结构，并且具有单向连续无晶界的特征，可以使得硬度快速提升。
[0014]镍基