一种在金属表面生成反梯度组织的方法技术

本发明专利技术公开了一种在金属表面生成反梯度组织的方法，首先对金属表面进行机械滚压处理(SMRT)，可在金属表面生成一定宽度的变形区域，根据压下量的大小，距离滚压表面不同深度产生的形变量不同，变形程度也不同。再对金属试样进行真空退火处理。通过对压下量的控制，使得滚压后金属试样的表面变形量控制在2％

【技术实现步骤摘要】
一种在金属表面生成反梯度组织的方法


[0001]本专利技术属于金属材料表面处理
，具体涉及一种在金属表面生成反梯度组织的方法，即金属材料表层为粗大晶粒，心部为细小晶粒的组织结构。

技术介绍

[0002]梯度纳米组织指材料中，在一定的空间范围内，材料结构单元(例如晶粒尺寸)呈现一定的梯度分布，从纳米尺寸增加到宏观尺寸，也就是说一部分由纳米晶构成一部分由粗晶构成。这种组织结构的实质在于材料内部的晶界密度有一定的梯度变化。传统上来讲，大多数情况为纳米晶存在于材料的表层，粗晶存在于材料心部，这种结构的材料通常能表现出很好的整体性能，例如结合心部粗晶优异的塑性与表层细晶优异的强度，使得整体材料在疲劳性能上有很大的改善。但这种结构在高温下的耐腐蚀性能以及抗蠕变性能并未得到有效的提高。首先，高温下晶界对腐蚀环境更为敏感，晶界密度的升高使得腐蚀点增多从而加快了材料的腐蚀速度；其次，高温下的晶界作为一种缺陷，材料的强度随温度的升高下降得更快，细晶材料的抗高温蠕变性能也不及粗晶材料。为了提高材料在高温下的耐腐蚀与抗蠕变性能，结合材料原有的强度与塑性，将传统的“表层细心部粗”的梯度组织转换成“反”梯度组织形式，以达到我们所需的耐腐蚀和提高蠕变性能要求。
[0003]目前，大量研究已经提供了金属表面机械纳米化技术制备从表层到心部的表面梯度组织的方法，例如表面机械研磨处理(Surface mechanical attrition treatment)、表面机械碾磨处理(Surface mechanical grinding treatment)和表面机械滚压处理(Surface mechanical rolling treatment)。这些技术能够将表面的晶粒变形细化，而心部保持粗大的晶粒形态。但是加工结束后，试样表面存在大量残余应力。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种在金属表面生成反梯度组织的方法，以克服现有技术存在缺陷，本专利技术能提高材料的高温耐腐蚀性能和抗高温蠕变性能。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种在金属表面生成反梯度组织的方法，利用滚压刀具对金属表面进行强制变形处理，随后对强制变形处理后的样品进行真空退火以形成表面粗大心部细小的反梯度组织；
[0007]具体包括以下步骤：
[0008]1)在金属试样的表面利用滚压刀具的下压进行滚压强制形变，滚压相应道次后退刀，在金属表层形成一层变形区；
[0009]2)将滚压完成的试样进行真空退火处理，即将试样真空加热到预设温度进行保温，保温设定时间后随炉冷却至室温。
[0010]进一步地，所述滚压刀具包括外壳，外壳上嵌设有滚珠，且外壳的内部设置有轴承，所述轴承与滚珠配合连接，外壳外侧连接有配合车床装夹的刀柄。
[0011]进一步地，所述轴承采用GCr15轴承钢所制。
[0012]进一步地，所述外壳上设有润滑油孔。
[0013]进一步地，所述滚珠为直径9mm的硬质合金球。
[0014]进一步地，所述真空退火处理采用真空石英管。
[0015]进一步地，所述金属为Zr
‑
4合金。
[0016]进一步地，具体包括以下步骤：
[0017]1)以滚压刀具的滚珠刚好接触到金属试样表面为基准，此时滚压刀具压下量为0，再进行滚压刀具下压，压下量为2
‑
5μm，采用连续式进刀对金属表面进行1道次滚压；
[0018]2)将滚压结束后的金属试样进行真空封管处理，将封好的管子放入升至700
‑
900℃的加热炉中进行加热保温，保温时间为30
‑
60min，随后炉冷至室温。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0020]本专利技术更加侧重于在金属材料表面形成粗大的晶粒，利用机械滚压技术对金属表面进行连续式进刀，使得在金属表面形成一定范围的变形区域，该区域在真空退火处理后，晶粒长大，从而实现在表层生成粗大晶粒，心部依然保持原始态的细小晶粒的反梯度组织特征。这样的组织可以提高金属材料的耐高温腐蚀及抗高温蠕变性能，且该方法操作、加工成本较低，是合适的生产方法。
[0021]进一步地，本专利技术中所使用的刀具具有可拆卸，易更换内部零件、使用方便等优点。
[0022]针对Zr
‑
4合金，因其本身具有良好的耐腐蚀性能，而被用于核燃料包壳管。利用表面生成“反梯度”组织的方法，能够让Zr
‑
4合金的表层具有粗大的晶粒，因此具有更好的抗高温腐蚀性能。
附图说明
[0023]说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0024]图1为对金属表面进行机械滚压所使用的滚压刀具结构示意图。其中，1为滚珠，2为轴承，3为润滑油孔，4为外壳，5为刀柄。
[0025]图2为对棒状金属试样进行机械滚压时的加工示意图。
[0026]图3为封管处理后试样示意图。
[0027]图4为Zr
‑
4生成表面反梯度组织的金相组织照片；
[0028]图5为Zr
‑
4合金原始组织试样与反梯度组织试样高温高压腐蚀后增重对比图；
[0029]图6为Zr
‑
4合金反梯度组织蠕变第二阶段的速率拟合图，图中斜率为稳态速率；
[0030]图7为Zr
‑
4合金原始组织蠕变第二阶段的速率拟合图，图中斜率为稳态速率。
具体实施方式
[0031]下面本专利技术的做进一步详细描述：
[0032]一种在金属表面生成反梯度组织的方法，利用滚压刀具对金属表面进行强制变形处理，随后对强制变形处理后的样品进行真空退火以形成表面粗大心部细小的反梯度组织；具体包括以下步骤：
[0033]1)在金属试样的表面利用滚压刀具的下压进行滚压强制形变，滚压若干道次后退刀，在金属表层形成一层变形区，通过对压下量的控制，使得滚压后金属试样的表面变形量控制在2％
‑
10％；
[0034]2)将滚压完成的试样进行真空退火处理，即将试样真空加热到预设温度进行保温，保温设定时间后随炉冷却至室温。
[0035]本专利技术利用表面机械滚压后进行真空退火处理的方式，在锆合金表面生成反梯度组织。下面将以Zr
‑
4合金为例，结合附图具体说明该反梯度组织的实施过程，对于其他的锆合金系列材料可以通过改变工艺参数以实现反梯度组织的生成。
[0036]附图1中所示的滚压刀具由5部分组成，在滚压过程中，由滚珠1实现对试样的接触滚压作用；轴承2在外壳4内部起支撑滚珠1的作用；外壳4对滚珠1起固定作用，外壳4顶部设置有润滑油孔3，使得刀具在工作过程中能够给油；滚压刀具在工作过程中刀柄5夹持在车床夹具上以支撑滚压刀具的工作。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在金属表面生成反梯度组织的方法，其特征在于，利用滚压刀具对金属表面进行强制变形处理，随后对强制变形处理后的样品进行真空退火以形成表面粗大心部细小的反梯度组织；具体包括以下步骤：1)在金属试样的表面利用滚压刀具的下压进行滚压强制形变，滚压相应道次后退刀，在金属表层形成一层变形区；2)将滚压完成的试样进行真空退火处理，即将试样真空加热到预设温度进行保温，保温设定时间后随炉冷却至室温。2.根据权利要求1所述的一种在金属表面生成反梯度组织的方法，其特征在于，所述滚压刀具包括外壳(4)，外壳(4)上嵌设有滚珠(1)，且外壳(4)的内部设置有轴承(2)，所述轴承(2)与滚珠(1)配合连接，外壳(4)外侧连接有配合车床装夹的刀柄(5)。3.根据权利要求2所述的一种在金属表面生成反梯度组织的方法，其特征在于，所述轴承(2)采用GCr15轴承钢所制。4.根据权利要求2所述的一种在金属表面生成反梯度组织的方法，其特征在于，所述外壳(4)上设有润滑...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙巧艳，耿东晖，张宏宝，孙军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：