專利名稱：氣固雙相流沖擊金屬材料表面納米化裝置及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料表面納米化領域，具體地說是氣固雙相流高速沖擊金屬材料表面使之納米化的裝置及其應用。
背景技術：
材料的失效大多發生在材料的表面，表面的結構性能直接影響材料的綜合服役性能。金屬材料表納米化對提高金屬部件的使用壽命非常重要。利用表面納米化方法來改善金屬材料的表面結構性能，特別是疲勞性能、腐蝕性能和摩擦磨損性能，可以提高金屬材料的綜合服役性能，延長材料的使用壽命。
金屬材料表納米化是近年開始的一個新領域，中國專利申請(申請號99122670.4)《一種金屬材料表面納米層的制備方法》，是以超聲波發生器的高頻率振動(約20kHz)為動力，將硬質材料小球(直徑小于15毫米)碰撞金屬試樣的表面使之納米化，其不足之處是該技術對形狀復雜的金屬部件與大平面金屬設備無法進行表面納米化處理，這是該技術在工程應用上受限制的關鍵問題。
中國專利申請《超聲速微粒轟擊金屬材料表面納米化方法》(申請號01128225.8)，由于其在室溫下對金屬材料表面進行轟擊，有時不能達到對材料表面的有效轟擊速度，采用的裝置是空氣壓縮機與送粉器相連，攜帶微粒經超音速噴嘴噴出，其結構復雜，微粒運行路程較長，增加了噴嘴喉部的磨損，從而影響了噴嘴壽命。
發明內容
本發明的目的是提供一種可以使形狀復雜或大平面金屬材料表面納米化的氣固雙相流沖擊金屬材料表面均勻納米化裝置及其應用，該裝置操作簡單靈活，便于攜帶易于實現外場作業。
為了實現上述目的，本發明的技術方案氣固雙相流沖擊金屬材料表面納米化裝置，具有與進氣管相連的高壓氣源、加熱器、送粉器、超聲速噴嘴，所述進氣管穿過加熱器與超聲速噴嘴相連通，噴嘴側面通過管路與送粉器相連通，進氣管置于加熱器中的部分為螺旋形結構；所述超聲速噴嘴由收縮段、喉部和擴張段三部分構成，噴嘴的擴張段通過管路與送粉器相連通，與送粉器管道的連接處的噴嘴截面積S1與其喉部S0的關系為S1/S0≥1.3P0+0.8式中S1-與送粉器管道的連接處的噴嘴截面積；S0-噴嘴喉部的面積；P0-噴嘴進口處的氣體壓強，所述噴嘴進口處的氣體壓強P0為0.5～5MPa。
上述裝置的應用是所述裝置利用高壓氣體攜帶硬質顆粒，通過超聲速噴嘴噴射，接連轟擊金屬材料表面使之納米化，表面納米化工藝參數如下噴射距離5～50mm、氣體壓強0.5～5.0MPa、氣體溫度為室溫～500℃、氣體流量10～30g/s、硬質顆粒粒徑為50納米～500微米；所述噴射距離較好為15～50mm、氣體壓強較好為0.8～4.0MPa、氣體溫度較好為50～300℃、硬質顆粒粒徑較好為50納米～150微米；所述氣體為空氣、氮氣或氦氣等，所述硬質顆粒為Al2O3、SiO2、BN、WC或鋼球等。
其原理是根據流體力學原理，利用高壓氣體產生的高速氣流攜帶硬質顆粒，通過噴嘴將氣固雙相流加速到300～1200m/s，硬質顆粒通過射流以很高的動能接連轟擊金屬材料表面引起表面嚴重塑性變形產生大量位錯、孿晶或亞晶結構導致晶粒細化，最終形成納米晶。
與現有技術相比，本發明優點如下1.本發明裝置完全改變了超聲速微粒轟擊金屬材料表面納米化方法的送粉方式，采用簡單的吸入式送粉裝置，配合特殊設計的噴嘴形式，避免了一般電機轉動帶動轉鼓式送粉器易于磨損和對粉末流動性要求較高的問題，簡化了設備的結構，使該設備更易于操作和便于攜帶。
2.本發明裝置的送粉位置選擇在噴嘴的擴張段，從而大幅度提高噴嘴的耐磨損性能，有效地延長了噴嘴的使用壽命。
3.本發明裝置的進氣管穿過加熱器，經加熱的氣體攜帶顆粒，使顆粒在一定溫度下轟擊金屬材料表面，納米化效果好，表面納米層均勻。
4.本發明裝置的應用可有效地降低金屬零件表面上的晶粒尺寸，在整個金屬零件的表面上形成一層與基體材料化學成分完全相同的、晶粒尺寸為二十納米左右的顯微組織，材料表面納米結構的厚度范圍為0.5～50微米，其具有納米結構特征的表層，足以保證金屬零件能獲得力求達到的特性，例如希望的機械性能(疲勞、耐摩擦磨損性、應力下的耐蝕性)。
5.本發明可以對形狀復雜或大平面的工件進行表面均勻納米化處理。
6.本發明裝置簡單、能耗少，耗電量為2～12kW；另外，其成本低、生產效率高。
圖1為氣固雙相流沖擊金屬材料表面納米化裝置示意圖。
圖2為實施例1樣品處理后的TEM明場像。
圖3為實施例1樣品處理后的TEM暗場像。
圖4為實施例1樣品處理后的TEM衍射環。
圖5為實施例2樣品處理后的TEM明場像。
圖6為實施例2樣品處理后的TEM暗場像。
圖7為實施例2樣品處理后的TEM衍射環。
圖8為實施例3樣品處理后的TEM明場像。
圖9為實施例3樣品處理后的TEM暗場像。
圖10為實施例3樣品處理后的TEM衍射環。
具體實施例方式
實施例1如圖1所示，氣固雙相流沖擊金屬材料表面納米化裝置具有與進氣管1相連的高壓氣源、加熱器2、送粉器4、超聲速噴嘴3，所述進氣管1穿過加熱器2與超聲速噴嘴3相連通，噴嘴3側面通過管路與送粉器4相連通，進氣管1置于加熱器2中的部分為螺旋形結構；所述超聲速噴嘴3由收縮段31、喉部32和擴張段33三部分構成，噴嘴的擴張段31通過管路與送粉器4相連通，與送粉器4管道的連接處的噴嘴截面積S1與其喉部S0的關系為S1/S0≥1.3P0+0.8式中S1-與送粉器管道的連接處的噴嘴截面積；S0-噴嘴喉部的面積；
P0-噴嘴進口處的氣體壓強。
這種噴嘴結構可以避免噴嘴喉部的磨損，增加裝置工作的穩定性，該設計保證了送粉器能在常壓下進行送粉，即在粉末進入噴嘴處的截面積超過喉部一定值時，則該處的壓強可以低于大氣壓強，保證了裝置在常壓下進行送粉。
所述裝置利用高壓氣體攜帶硬質顆粒，通過超聲速噴嘴噴射于接連轟擊基體5表面使之納米化，基體5材料為316L不銹鋼試片，硬質微粉采用Al2O3(～150μm)，表面納米化工藝參數如下噴射距離16mm、氣體壓強0.8MPa、氣體溫度50℃、氣體流量11g/s，轟擊時間15分鐘，經透射電鏡觀察表面形成納米相，見圖2、3、4。
實施例2與實施例1不同之處是表面納米化裝置如圖1所示，基體材料為316L不銹鋼試片，顆粒采用SiO2(～50nm)，表面納米化工藝參數如下噴射距離50mm、氣體壓強4MPa、氣體溫度180℃、氣體流量27g/s，轟擊時間10分鐘，經透射電鏡觀察表面形成納米相，見圖5、6、7。
實施例3與實施例1不同之處是表面納米化裝置如圖1所示，基體材料為20#鋼試片，顆粒采用鋼球(～20μm)，表面納米化工藝參數如下噴射距離35mm、氣體壓強1.6MPa、氣體溫度300℃、氣體流量19g/s，轟擊時間12分鐘，經透射電鏡觀察表面形成納米相，見圖8、9、10。
權利要求
1.一種氣固雙相流沖擊金屬材料表面納米化裝置，具有與進氣管相連的高壓氣源、加熱器、送粉器、超聲速噴嘴，其特征在于所述進氣管(1)穿過加熱器(2)與超聲速噴嘴(3)相連通，噴嘴(3)側面通過管路與送粉器(4)相連通，進氣管(1)置于加熱器(2)中的部分為螺旋形結構。
2.按照權利要求1所述的氣固雙相流沖擊金屬材料表面納米化裝置，其特征在于所述超聲速噴嘴(3)由收縮段(31)、喉部(32)和擴張段(33)三部分構成，噴嘴的擴張段(33)通過管路與送粉器(4)相連通，與送粉器(4)管道的連接處的噴嘴截面積S1與其喉部S0的關系為S1/S0≥1.3P0+0.8式中S1-與送粉器管道的連接處的噴嘴截面積；S0-噴嘴喉部的面積；P0-噴嘴進口處的氣體壓強，所述噴嘴進口處的氣體壓強P0為0.5～5MPa。
3.一種按照權利要求1所述的氣固雙相流沖擊金屬材料表面納米化裝置的應用，其特征在于所述裝置利用高壓氣體攜帶硬質顆粒，通過超聲速噴嘴噴射，接連轟擊金屬材料表面使之納米化，表面納米化工藝參數如下噴射距離5～50mm、氣體壓強0.5～5.0MPa、氣體溫度為室溫～500℃、氣體流量10～30g/s、硬質顆粒粒徑為50納米～500微米。
4.按照權利要求3所述的氣固雙相流沖擊金屬材料表面納米化裝置的應用，其特征在于所述噴射距離15～50mm、氣體壓強0.8～4.0MPa、氣體溫度為50～300℃、硬質顆粒粒徑為50納米～150微米。
5.按照權利要求3所述的氣固雙相流沖擊金屬材料表面納米化裝置的應用，其特征在于所述氣體為空氣、氮氣或氦氣。
6.按照權利要求3所述的氣固雙相流沖擊金屬材料表面納米化裝置的應用，其特征在于所述硬質顆粒為Al2O3、SiO2、BN、WC或鋼球。
全文摘要
本發明公開一種氣固雙相流沖擊金屬材料表面納米化裝置及其應用。該裝置具有與進氣管相連的高壓氣源、加熱器、送粉器、超聲速噴嘴，所述進氣管穿過加熱器與超聲速噴嘴相連通，噴嘴側面通過管路與送粉器相連通，進氣管置于加熱器中的部分為螺旋形結構；上述裝置的應用是利用高壓氣體攜帶硬質顆粒，通過超聲速噴嘴噴射，接連轟擊金屬材料表面使之納米化，表面納米化工藝參數如下噴射距離5～50mm、氣體壓強0.5～5.0MPa、氣體溫度為室溫～500℃、氣體流量10～30g/s、硬質顆粒粒徑為50納米～500微米；本發明裝置簡單、成本低、生產效率高，其應用可以對形狀復雜或大平面的工件進行表面納米化處理，且納米層分布均勻。
文檔編號C21D7/06GK1532295SQ03111200
公開日2004年9月29日 申請日期2003年3月19日 優先權日2003年3月19日
發明者熊天英, 吳杰, 金花子, 李鳴, 陳金生, 李鐵藩 申請人:中國科學院金屬研究所