金属材料表面构筑粗晶-细晶梯度结构的方法及梯度结构技术

本发明专利技术公开了一种金属材料表面构筑晶粒尺寸梯度结构的方法，其包括以下步骤：对金属材料进行前处理获得冷轧组织或者细晶组织，然后对冷轧板或细晶板进行去油污，表面打磨抛光等处理，以及增加冷轧板表面激光吸收效率的毛化、黑化处理；采用连续激光器，设置合理参数对冷轧板表面激光热处理，获得金属材料表面形成粗晶‑细晶的梯度结构。该加工方法得到的梯度结构材料具有表面晶粒尺寸大、芯部晶粒尺寸小且无明显界面层的优点，该粗晶‑细晶结构使得金属材料表面的梯度结构厚度比现有技术中的大，且该梯度结构表面的粗糙度不会因该表面加工处理过而发生变化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属材料加工制备
，一种可用于金属材料力学性能优化或用于获取金属材料特殊表面性能的加工方法，特别涉及一种在金属材料表面构筑粗晶-细晶梯度结构的加工方法。
技术介绍
梯度结构材料是指材料的微观结构（多指晶粒尺度）由一侧向另一侧呈连续梯度变化，从而使材料的性质和功能连续地呈梯度变化。作为一种新型结构材料，其性能具有特殊性，故而在航空航天、机械、交通、化工领域具有广泛应用前景。目前金属材料中实现晶粒尺寸梯度结构制备的方法主要有如下两类：（一）表面附加涂层类，代表技术为物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、各类喷涂及镀膜等，但这类方法制备的梯度结构在涂层与金属基体间存在明显的界面层，导致结合力较弱，使用性能低，同时设备复杂，成本较高；（二）表面强烈塑性变形，代表技术为超声喷丸、机械研磨处理、激光冲击强化技术等。此类技术可将材料表面晶粒细化至纳米级，且纳米层与基体组织之间无明显界面层，不会与基体间发生脱落与分离。但表面强烈塑性变形方法存在一定局限性，如超声喷丸处理后的试样表面粗糙度随着表面塑性形变程度加剧而增加，削弱了工件的力学性能。此外，表面强烈塑性变形方法仅能制备表面为纳米晶、内部为粗晶的梯度结构，同时材料表面梯度纳米结构层厚度仅为100～300μm，工业化应用潜力受限。表面强烈塑性变形技术对试样形状要求较高，例如；中国专利技术专利“在金属材料表层实现超细晶粒组织结构的高速加工方法”>（公开号CN101323900A）提出通过表面高速塑性变形的机械处理方法，其特点是工件高速旋转，而加工工具不旋转，该方法仅适用于回转件的表面超细化加工。此外，表面强烈塑性变形法所适用基体材料的类型有限，仅为塑性较好的Cu、IF钢、TWIP钢、不锈钢等，否则材料表面发生破碎导致无法形成梯度结构，即无法适用于脆性材料。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种在金属材料表面构筑粗晶-细晶梯度结构的加工方法，该加工方法得到的梯度结构材料具有表面晶粒尺寸大、芯部晶粒尺寸小且无明显界面层的优点，该粗晶-细晶结构使得金属材料表面的梯度结构厚度比现有技术中的大，且该梯度结构表面的粗糙度不会因该表面加工处理过而发生变化。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种金属材料表面构筑晶粒尺寸梯度结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）选取具备以下条件的金属材料：金属材料在受热条件下不发生相变，仅在受热后发生再结晶及晶粒长大行为；（2）利用金相显微镜分析由步骤（1）选取的金属材料的微观组织，观察其微观组织是以下哪种组织结构：a.金属材料为粗晶组织，b.金属材料为冷轧组织，c.金属材料为细晶组织；（3）金属材料为a类时，首先将金属材料进行前处理获得冷轧组织或者细晶组织，（4）将上述冷轧组织状态或者细晶组织状态的金属材料进行表面清洗，去除油污，该处的冷轧组织状态或者细晶组织状态的金属材料包括上述b类、c类以及经过前处理后的a类金属材料，（5）将经过步骤（4）清洗去污的金属材料进行表面预处理，对表面光滑的金属材料表面进行毛化或黑化处理以增加激光吸收效率，达到激光吸收率＞40%，如果材料表面已经可以有效吸收激光能量，则无需进行表面预处理；（6）使用连续激光器而非脉冲式激光器，设置激光光斑尺寸为3～5mm、搭接率为30%～50%、扫描速率为1mm/s～20mm/s、激光功率为500w～2000w，然后对经过步骤（5）的金属材料进行单侧或双侧激光表面热处理获得金属材料表面形成粗晶-细晶的梯度结构。作为本专利技术的进一步设置，所述前处理过程是通过冷轧获得冷轧组织，冷轧下压率＞50%，冷轧板或细晶板的厚度＞1mm。作为本专利技术的进一步设置，所述前处理是采用冷轧结合热处理获得细晶组织，冷轧下压率＞50%，冷轧板或细晶板的厚度＞1mm。作为本专利技术的进一步设置，所述步骤（4）中对金属材料进行表面清洗去油污之前，先对金属材料表面进行抛光或打磨处理。本专利技术的目的二：为了克服上述缺陷，本专利技术提供了一种根据金属材料表面构筑粗晶－细晶梯度结构方法制得的表面梯度结构，其特征在于：所述金属材料表面梯度结构为粗晶－细晶均匀过渡结构。采用上述方案，本专利技术采用激光表面热处理的工艺，区别于激光表面重熔处理，本专利技术是以激光作为热源，仅对金属材料表面进行高温退火热处理；在激光加热及金属材料自身传热作用下，于材料内建立表面温度高、芯部温度低的梯度分布温度场。由于材料表面温度高，可快速完成再结晶行为或晶粒长大；而材料内部温度低，再结晶行为滞后，晶粒长大缓慢。故，相对于常见将纳米晶置于材料表面、粗晶位于材料内部的正常梯度结构而言，本专利技术可制备表面晶粒尺寸大、芯部晶粒尺寸小且无明显界面层的晶粒尺寸梯度结构材料。由于某些材料粗晶相比细晶具有特殊性能，故本专利技术所构筑的梯度结构材料同样具有独特性能。本专利技术具有以下有益效果：（1）本专利技术采用激光表面热处理工艺仅对金属材料表面进行激光热处理，不会引起材料成分变化；（2）可以制备由表及里、晶粒尺寸均匀减少的梯度结构，通过调整激光处理参数可对梯度结构的分布进行调控；（3）晶粒尺寸梯度结构过渡连续，无界面层存在；（3）材料表面仅发生再结晶行为或晶粒长大行为，不发生表面重熔，故试样表面形貌不发生明显变化，即表面粗糙度可控；（4）依据激光处理参数及试样厚度不同，梯度结构层厚度可调，最高可达500μm以上，远超过表面严重塑性变形所获得梯度结构层厚度（＜200～300μm）；（5）激光束由光纤进行传导，故采用激光表面处理工艺，不受试样外形及尺寸限制，可加工棒状、板材以及形状复杂器件；（6）可对材料进行双面处理，从而获得大晶粒-小晶粒-大晶粒“三明治”式梯度结构材料；（7）基体材料选择范围广；本专利技术采用激光表面热处理工艺，材料表面无塑性变形行为发生，塑性较差但在受热条件下可发生再结晶行为或晶粒长大行为的金属也可采用本方法，即适用于脆性材料。下面结合附图对本专利技术作进一步描述。附图说明图1显示了实施例1中金属材料通过金相显微镜观察为粗晶组织；图2显示了实施例1中粗晶状态金属材料经过冷轧而成为冷轧态组织；图3显示了实施例1中粗晶状态的金属材料经过处理后单侧表面形成的梯度结构；图4显示了实施例2中粗晶状态金属材料经过冷轧结合热处理后形成的细晶组织；图5显示了实施例2中细晶状态金属经表面单侧激光热处理后形成的梯度结构；图6显示了实施3中粗晶-细晶-粗晶“三明治”式梯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属材料表面构筑晶粒尺寸梯度结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）选取具备以下条件的金属材料：金属材料在受热条件下不发生相变，仅在受热后发生再结晶及晶粒长大行为；（2）利用金相显微镜分析由步骤（1）选取的金属材料的微观组织，观察其微观组织是以下哪种组织结构：a.金属材料为粗晶组织，b.金属材料为冷轧组织，c.金属材料为细晶组织；（3）金属材料为a类时，首先将金属材料进行前处理获得冷轧组织或者细晶组织，（4）将上述冷轧组织状态或者细晶组织状态的金属材料进行表面清洗，去除油污，该处的冷轧组织状态或者细晶组织状态的金属材料包括上述b类、c类以及经过前处理后的a类金属材料，（5）将经过步骤（4）清洗去污的金属材料进行表面预处理，对表面光滑的金属材料表面进行毛化或黑化处理以增加激光吸收效率，达到激光吸收率＞40%，（6）使用连续激光器，设置激光光斑尺寸为3～5mm、搭接率为30%～50%、扫描速率为1mm/s～20mm/s、激光功率为500w～2000w，然后对经过步骤（5）的金属材料进行单侧或双侧激光表面热处理获得金属材料表面形成粗晶‑细晶的梯度结构。

【技术特征摘要】
1.一种金属材料表面构筑晶粒尺寸梯度结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）选取具备以下条件的金属材料：金属材料在受热条件下不发生相变，仅在受热后发
生再结晶及晶粒长大行为；
（2）利用金相显微镜分析由步骤（1）选取的金属材料的微观组织，观察其微观组织是以
下哪种组织结构：a.金属材料为粗晶组织，b.金属材料为冷轧组织，c.金属材料为细晶组
织；
（3）金属材料为a类时，首先将金属材料进行前处理获得冷轧组织或者细晶组织，
（4）将上述冷轧组织状态或者细晶组织状态的金属材料进行表面清洗，去除油污，该处
的冷轧组织状态或者细晶组织状态的金属材料包括上述b类、c类以及经过前处理后的a类
金属材料，
（5）将经过步骤（4）清洗去污的金属材料进行表面预处理，对表面光滑的金属材料表面
进行毛化或黑化处理以增加激光吸收效率，达到激光吸收率＞40%，
（6）使用连续激光器，设置激光光斑尺寸为3～5mm、搭接率为30%～50%、扫描速...

【专利技术属性】
技术研发人员：王坤，童先，金露凡，汪耽，韩福生，刘东华，
申请(专利权)人：浙江工贸职业技术学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33