一种电脉冲和超声耦合实现金属表面晶粒细化的工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属表面晶粒细化技术，特别是一种电脉冲和超声耦合对金属表面进行晶粒细化的工艺，该工艺在金属工件上加载高能脉冲电流过程的同时对金属工件表面进行超声频的冲击，使金属工件表面形成细晶层并改善表层的应力状态。
【背景技术】
[0002]金属材料的力学性能与材料的微观组织结构密切相关。一般认为，细化晶粒可以同时提升金属材料的强度和塑性，是一种有效且常用的金属力学性能强化手段。常用的晶粒细化工艺一般是对金属施加较大的载荷使其发生严重的变形，同时使其组织内部的缺陷大量增殖，形成亚结构或发生再结晶，最终实现晶粒细化。从金属材料失效破坏的方式来看，许多破坏都是从金属的表面开始的。最典型的三种与表面有关的破坏是磨损、疲劳和腐蚀。因此在金属的表面进行适当的表面强化和表面处理可以有效的改善金属的力学性能，延长其服役的寿命。在这一思路的指导下，材料的表面工程，特别是材料的表面纳米化近年来成为学术界和工程界关注和研宄的热点。
[0003]金属的表面纳米化有多种方法，其中一类方法是金属材料表层自身纳米化(SSN)，该方法一般是采用表面机械摩擦、机械冲击或者高速喷丸等技术，对金属表面施加剧烈塑性变形，使表面的晶粒细化至纳米尺度。在此类金属表面改性工艺中，采用超声加工的方法具有非常重要的价值，在各种工程应用领域研发出了许多不同的加工处理方法。其中广泛的应用是利用超声冲击设备直接对金属表面进行处理。超声冲击设备包括超声频震荡电流发生器、换能器、变幅杆、工作台、加压和进给系统等。其工作机理是利用振荡电路产生超声频振荡电流并转换为超声频机械振动，通过变幅杆对振幅放大，有效地向负载传输。超声加工常用的频率从20kHz-40kHz，振幅一般在5到50微米之间。
[0004]采用超声冲击设备对金属表面进行处理，对金属表面组织结构有两种积极的效果。首先局部的塑性变形使表层金属晶粒细化，其明显的特点是表面的晶粒可以达到纳米级或者亚微米级。随着深度增加晶粒由细变粗逐渐过渡到与基体组织相同的尺寸。其次局部的塑性变形改变表层的残余应力状态，在金属的表面形成了压向的残余应力。在大多数情况下，残余压应力可以在一定程度上抑制裂纹萌生和扩张，提高材料的疲劳强度和疲劳寿命O
[0005]上述超声冲击处理工艺设备简单，操作简便，并且工程实际应用的效果较好，大量应用于工程和工业生产中。特别是大型金属结构和产品的焊缝处理领域，该工艺对残余应力状态的优化有效的提高了焊缝结构的疲劳强度等力学性能。该工艺存在的不足之处也非常明显，主要可以归结为以下四点:
1.超声冲击后，金属表面将出现很大的加工硬化。加工硬化虽然可以提高结构的强度，但是由于缺乏塑性变形能力，使其出现脆性的倾向。在某些复杂的受力状态下或者偶然出现的过载下，结构出现脆性破坏的风险将被放大，这对结构的安全性埋下不小的隐患。
[0006]2.超声冲击后，尤其是在过度的冲击后，冲击触头在金属表层留下划痕或微裂纹等表面缺陷，图1所示为S45C钢表面超声处理后的裂纹源(矩形框处)。虽然应力状态改变后有利于抑制宏观裂纹的萌生和扩张，但是表面缺陷可能直接成为裂纹源，反而对金属结构的疲劳强度有害。
[0007]3.由于金属自身的形变抗力，超声冲击只造成局部的塑性变形，晶粒细化的深度有限，一般小于200微米。如果可以进一步增加变形层或者细化层的厚度，将进一步提高材料的力学性能。
[0008]4.单纯的超声冲击需要较长的时间才能使金属表层达到较高的压向残余应力状态，从人力成本和时间成本上来说，都是不够经济的。如前所述，长时间的冲击造成的金属表面损伤也不可能通过超声进行修复，这是超声冲击的矛盾所在。
[0009]金属材料在电刺激(电流、电子辐射等)作用下在流变应力下降的同时塑性显著提高的现象称之为电致塑性效应。目前，将超声冲击和电致塑性Oi加高能电脉冲)复合作用于金属表面，改善其表层微观组织结构和应力状态，提高其力学性能和耐蚀性的方法，未见有关文献披露。
【发明内容】
[0010]本发明针对当前工业和工程中广泛采用的超声冲击存在的上述缺陷和不足，提供一种电脉冲和超声耦合实现金属表面晶粒细化的工艺，其将高能电脉冲与超声冲击进行耦合，共同作用于金属材料表面，在处理过程中动态的对金属表面进行适当软化和组织修复，以弥补单纯超声冲击带来的表面加工硬化和宏观表面缺陷等问题，优化了金属表面的力学性能，延长结构寿命，提高构件的安全性。
[0011]本发明提供的电脉冲和超声耦合实现金属表面晶粒细化的工艺，包括如下步骤:通过两支电极导入脉冲电流至金属件的待处理表面区进行电致塑性处理，选择该待处理表面内脉冲电流作用的中央区域作为超声冲击区域，同时利用超声冲击设备的高硬度冲击压头对该超声冲击区域的表面依次进行超声冲击处理。
[0012]其中，所述脉冲电流作用的中央区域是指所述待处理表面内位于所述两支电极之间的、宽度为l-15cm的部分。所述金属件的待处理表面可以是平面、曲面或异型面等。
[0013]采用本发明工艺对金属件(包括金属结构件、产品)表面的平面或曲面区域处理时，所述高硬度冲击压头的振动频率15000-45000HZ，振幅5_25 μ m ;超声冲击静压力介于30-200N ;所述脉冲电流由脉冲电源通过一对电极导入金属件的待处理平面或曲面区域，导入的脉冲电流参数为频率50-2000HZ、脉宽20-1000 μ s、峰值电流100-10000A。所述电极可以是表面接触电极等。
[0014]所述超声冲击设备可以由支撑设备带动以速度l-5mm/s相对于所述待处理金属件的表面形貌的要求进行跟踪移动。当对所述超声冲击区域的表面进行往复移动超声冲击处理时，超声冲击工作速度为0.05-5cm2/min。
[0015]所述超声冲击设备的高硬度冲击压头为超声冲击施加载体，该高硬度冲击压头为球形压头，其曲率半径为5-10mm，硬度大于60HRC。
[0016]超声冲击设备可借助支撑设备进行自动化控制，如采用经过自行改装的铣床、磨床、加工中心等。若采用铣床等设备，金属构件固定在与铣床工作台绝缘的夹具上，用超声冲击设备替换相应的铣刀等刀具或夹具。此外，处理时超声冲击设备也可以简易手持。
[0017]与现有技术相比本发明的优点和积极效果如下；
本发明将超声冲击和高能电脉冲复合用于金属表面改性处理，快速的改善其微观组织结构，细化表层晶粒并得到强度和塑性的良好匹配，使材料表面达到强韧化的效果，进而使材料的寿命和服役的安全性得到较大的改善。利用高能脉冲电流要比传统热处理加热时所需要的能量少得多，工序和实施过程更加简单。另外缩短了工件处理的时间也可降低对超声设备具有高频大功率状态长时间稳定性工作的苛刻要求，使得超声处理工艺参数更易于掌控，大大减轻工人的劳动强度和改善工作环境。
[0018]同时，对金属表面施加高频脉冲电流和超声冲击可以在保留超声冲击的处理效果的基础上，有效解决前述单纯采用超声冲击的几个缺陷。首先在高能脉冲电流的作用下，金属组织中的缺陷(如位错、空位等)的运动能力提高。这一效应一方面使得表层的形变抗力降低，较深的区域也将发生一定程度的塑性变形，使变形带和细化层的厚度增大。同时由于金属的软化，整个形变过程可以以较快的速率进行，有效的提高了冲击处理的工作效率，节约时间成本，适合大规模的工业推广。就整个处理过程而言，超声冲击使组织硬化，强度提高，并引入了残余压应力，而脉冲电流促进组织回复软化，修复过分硬化区域，避免产生表面微裂纹。在各种加工参数(电参数和超声参数)的合理控制下，可以使组织保持晶粒细化的同时形成一定的压向残余应力，降低了加工硬化率，提高材料的塑性和韧性，进而提高金属结构的安全性。