畢業(yè)論文-對(duì)不銹鋼的高壓水射流表面納米化處理及離子注入技術(shù)的研究

1、對(duì)不銹鋼的高壓水射流表面納米化處理及離子注入技術(shù)的研究Study on the surface nanocrystallization treatment and ion implantation technology of high-pressure water jet on stainless steel 摘要材料表面改性技術(shù)可以賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)磁等各種新的特性，能使原來(lái)在高速、高溫、高壓、重載、腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作的零件，提高了可靠性、延長(zhǎng)了使用壽命，具有很大的經(jīng)濟(jì)意義和推廣價(jià)值。本文提出一種用高壓水射流的方法對(duì)金屬表面進(jìn)行掃射，使表面產(chǎn)生一定的塑性

2、變形以達(dá)到提高材料表面性能的目的。前期先對(duì)高壓水射流設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和繪制。316L不銹鋼有較好的抗腐蝕性能和加工硬化性，但是強(qiáng)度硬度并不是十分理想。通過(guò)高壓水射流對(duì)316L不銹鋼表面納米化處理后，以處理的壓力、噴嘴到表面的高度、噴嘴與表面傾斜角度、掃射速度等參數(shù)為變量，利用電化學(xué)工作站、材料試驗(yàn)機(jī)、顯微硬度機(jī)等測(cè)試實(shí)驗(yàn)和SEM、XRD和EM等分析技術(shù)手段對(duì)材料的性能和處理后的試樣微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。為了提高抗腐蝕性能，通過(guò)MEVVA強(qiáng)金屬離子源對(duì)經(jīng)過(guò)處理后的材料表面進(jìn)行離子注入，以一定的劑量注入Al。利用上述的試驗(yàn)方法再進(jìn)行表征分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，高壓水射流后，由于表面發(fā)生了塑性變形形成納米層結(jié)構(gòu)

3、，硬度提高、摩擦系數(shù)下降，但是由于納米化后晶粒變小、晶界增多導(dǎo)致抗腐蝕性能下降。納米化處理后，晶粒平均尺寸大小達(dá)到27nm，表面硬度提高了2倍。通過(guò)與原始樣品對(duì)比進(jìn)行表征，離子注入后對(duì)強(qiáng)度硬度也有一定程度的提高。離子注入納米化后，晶粒平均尺寸大小為22nm，表面硬度也有一定的提高。關(guān)鍵詞：高壓水射流；納米；316L不銹鋼；離子注入；結(jié)構(gòu)表征；性能測(cè)試ABSTRACT Material surface modification technology can give the part new features like high temperature resistance, anti-corr

4、osion, abrasion resistance, anti fatigue, anti radiation, conductive, magnetic and so on. And it also can help the part which often works in high speed, high temperature, high pressure, heavy corrosion environment, improve the reliability and prolong the service life, and has great economic signific

5、ance and promotion value. In this paper we want to design a method through high pressure water jet sweeping metal surface to make the surface cause plastic deformation in order to improve material performance. At the beginning, I design the high pressure water jet equipment and draw assembly diagram

6、.316L stainless steel has better anti-corrosion performance and workhardening properties, but the strength and hardness is not very ideal. Working on 316L stainless steel surface by high pressure water jet to make nanocrystallization , and deal with the wwater pressure, the height of nozzle to surfa

7、ce , nozzle and the surface tilt angle, bursts of speed and other parameters as variables,.Using electrochemical workstation, material test machine test, microhardness tester and other test and SEM, XRD and EM and other means of analysis technology to test materials properties and microstructures of

8、 samples. Using ion implantation treats material surface which has already formed nanocrystallization by MEVVA strong metal ion source with certain dose injection. Using the above test Methods to characterize the analysis. Test results show that after the high pressure water jet, due to the occurren

9、ce of surface plastic deformation formed nano layer structure, increasing hardness and decreasing friction coefficient, but because the size of nano grain becomes small and the grain boundaries increase ,so corrosion resistance falls down. After nanocrystallization , the average grain size size arri

10、ves to 27nm, surface hardness improves the 2 times. By comparising with the original samples, the strength and hardness also increased to some extent after ion injection. Ion implantating into nano layer, the average grain size is 22 nm and surface hardness also improved to some extent.緒論1.1引言在工程實(shí)際應(yīng)

11、用中，結(jié)構(gòu)材料的失效多始于表面，而且材料的疲勞、腐蝕、 磨損對(duì)材料的表面組織和結(jié)構(gòu)很敏感。 因此表面組織和性能的優(yōu)化就成為提高材 料整體性能和服役行為的有效途徑。表面工程1是多學(xué)科交叉、綜合的新興學(xué)科，表面工程技術(shù)最突出的特點(diǎn)是能夠通過(guò)多種方法制備出新的功能薄層于表面，使表面有新的性能，例如耐磨損、抗疲勞、防腐蝕、耐高溫、防輻射性能或具有特定電磁特性等。新制備出的薄層雖然相比與整個(gè)材料厚度來(lái)說(shuō)微乎其微，但是承擔(dān)著整個(gè)零件的主要功能，是其中的重中之重。而納米表面工程2則是納米材料和表面工程技術(shù)相結(jié)合的一個(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域。通過(guò)納米表面工程技術(shù)可以在零件表面形成納米尺度的薄層或表面膜，其具有更優(yōu)異的性

12、能。納米晶體材料3由德國(guó)科學(xué)家H.Gleiter教授第一次提出并首次制備出納米晶體后，世界各國(guó)的材料科學(xué)家都開(kāi)始研究，成為了當(dāng)今世界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。原因有兩個(gè)，一是納米晶體材料的晶體結(jié)構(gòu)為固體內(nèi)部界面的結(jié)構(gòu)性能提供了良好的條件，二是納米晶體材料的優(yōu)異的物理化學(xué)性能。通過(guò)強(qiáng)烈塑性變形來(lái)制備納米晶體材料可以對(duì)材料表面實(shí)現(xiàn)表面納米化，對(duì)傳統(tǒng)材料的綜合性能都有很大的提高，例如硬度強(qiáng)度等。進(jìn)而我們得出，研發(fā)出納米表面材料確實(shí)是一個(gè)新的思路。但材料整體通過(guò)該方法來(lái)制備納米晶體材料由于工藝復(fù)雜、費(fèi)用昂貴和外形尺寸限制、內(nèi)部存在孔隙類(lèi)缺陷等因素的制約而受到限制。4并且通過(guò)強(qiáng)塑性變形會(huì)導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生較大的磨損

13、，在工程中需要有進(jìn)一步的工序來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。炊鵬飛提出，316L不銹鋼在納米化后腐蝕性能下降，是由于納米晶界、表面粗糙度和、馬氏體相變以及位錯(cuò)增加的影響。5離子注入技術(shù)是一種新興的表面改性的方法，通過(guò)離子注入可以提高材料的強(qiáng)度和耐磨損能力，同時(shí)可以提高疲勞壽命、耐腐蝕性能和高溫抗氧化能力。6本課題目的是探索一種新的表面納米化的方法，并通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)對(duì)不同工藝參數(shù)（壓力、速度、高度等）處理?xiàng)l件下的316L不銹鋼的組織和各項(xiàng)性能進(jìn)行對(duì)比，研究關(guān)于納米化后各項(xiàng)性能與參數(shù)之間的關(guān)系。試圖尋找到最優(yōu)參數(shù)，來(lái)提高材料的整體性能和服役性能。并在最優(yōu)參數(shù)處理?xiàng)l件下的試樣進(jìn)行離子注入，以提高材料的耐腐蝕性能和硬度

14、。該研究是面對(duì)傳統(tǒng)材料對(duì)其進(jìn)行改性，在生產(chǎn)和實(shí)踐中有很大應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)效益。1.2表面納米化技術(shù)1.2.1納米材料的概述 納米是一個(gè)長(zhǎng)度單位，1nm=m。納米材料是指在結(jié)構(gòu)上具有納米尺寸調(diào)制特征的材料，納米尺度一般是指1100nm。當(dāng)一種材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)入納米尺度特征范圍時(shí)，其某個(gè)或某些性能會(huì)發(fā)生顯著的變化。納米尺寸和性能的特異變化是納米材料必須同時(shí)具備的兩個(gè)基本特征。納米晶體材料因還具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，從而具有一系列優(yōu)異的力學(xué)及物理化學(xué)性能。利用納米金屬材料的優(yōu)異性能對(duì)傳統(tǒng)工程金屬材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改良，有可能提高工程材料的綜合力學(xué)性能及服役壽命。1.3國(guó)內(nèi)外金屬表面納米化制備技術(shù)1.3.1表面涂層

15、或沉積先制備出具有納米尺寸的顆粒，再將這些顆粒固結(jié)在材料的表面，在材料上形成一個(gè)與基體化學(xué)成分相同的納米結(jié)構(gòu)表層。這種材料的特征是:表層與基體之間有明顯的界面，納米層的晶粒大小均勻，材料的外形尺寸與處理前相比有所增加。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該技術(shù)的掌握已非常成熟。71.3.2表面自納米化 對(duì)于一些材料，可以采用非平衡處理方法增加材料表面的自由能，使粗晶組織逐漸變細(xì)至納米量級(jí)。這種材料的主要特征是：晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大，納米結(jié)構(gòu)表層與基體之間不存在界面，與處理前相比，材料的外形尺寸基本不變。 由非平衡過(guò)程實(shí)現(xiàn)表面納米化主要有兩種方法：表面機(jī)械加工處理法和非平衡熱力學(xué)法。但是不同方法采用的工藝不同，最

16、后導(dǎo)致的納米層的微觀機(jī)理差異甚大。（1）表面機(jī)械加工處理法：在外加載荷的重復(fù)作用下，不同方向產(chǎn)生的強(qiáng)烈塑性變形在材料表面的粗晶組織內(nèi)發(fā)生，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間粗晶組織會(huì)逐漸細(xì)化至納米量級(jí)。（2）非平衡熱力學(xué)法：快速加熱試樣，使材料表面溫度達(dá)到熔化或者相變，再急冷，通過(guò)控制動(dòng)力學(xué)的方法來(lái)提高形核率以及抑制晶粒長(zhǎng)大速率，通過(guò)這個(gè)方法也可以在材料的表面獲得納米晶粒。81.3.3混合方式混合即表面納米化技術(shù)與化學(xué)處理相結(jié)合，在納米結(jié)構(gòu)表層形成或者形成后，對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)處理，在表層就可以形成與材料本身成分不同的固溶體或化合物?；瘜W(xué)處理更容易進(jìn)行是由于納米晶的組織形成，粗晶粒變成細(xì)晶粒，晶界的體積分?jǐn)?shù)明顯增大，比

17、表面積增大，為原子擴(kuò)散提供了理想的通道。81.4 表面納米化對(duì)材料性能的影響1.4.1表面納米化對(duì)金屬材料力學(xué)性能影響 表面納米化使材料表面的力學(xué)性能得到不同程度的改善。材料表面經(jīng)過(guò)納米化處理后，表面納米晶層的硬度顯著提高，并隨著深度的增加而逐漸減??；與纖維組織內(nèi)部未發(fā)生變化相比，表面組織的性能可以提高幾倍，尤其是硬度方面，而表面以下的亞微晶層的硬度也會(huì)明顯變大。如鋼鐵等材料經(jīng)納米化后，表面的硬度可以提高兩倍以上。提高的原因可能是晶粒細(xì)化和加工硬化共同引起的。81.4.2表面納米化對(duì)金屬材料耐磨性能影響表面納米化通過(guò)改變材料的表面組織結(jié)構(gòu)來(lái)改善其耐磨性能。9Luoyong提出，材料經(jīng)過(guò)納米化后

18、可以提高摩擦系數(shù)以及力學(xué)性能。10王鎮(zhèn)波等認(rèn)為材料表面納米化后主要從兩方面來(lái)影響其耐磨性：一.納米表層的較高的強(qiáng)度硬度減小了磨粒的壓入深度；二.表面納米晶能很大程度抑制裂紋的萌生，心部的粗晶又能阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。111.4.3 表面納米化對(duì)金屬材料耐腐蝕性能的影響李瑛等總結(jié)了表面納米化后的電化學(xué)腐蝕行為，研究結(jié)果表明納米化后的材料的反應(yīng)活性普遍增加，對(duì)于活性金屬，納米化使材料的腐蝕速度增加，并且溶解速度存在明顯的尺寸效應(yīng)。同時(shí)材料表面納米化處理后，會(huì)在表面形成一定厚度的納米層，增大了比表面積以及具有較高的表面活性，對(duì)環(huán)境敏感性大為提高。91.4.4表面納米化對(duì)金屬材料的疲勞性能的影響材料經(jīng)

19、過(guò)表面納米化處理后，表層形成的組織均勻、性能納米晶層可以有效地抑制疲勞裂紋的萌生，同時(shí)表面形成的壓應(yīng)力層也有助于提高材料的抗疲勞性能。韓同偉12等用超聲噴丸技術(shù)對(duì)316L不銹鋼表面進(jìn)行處理，制備出了納米晶層的材料，隨后做了對(duì)比低周疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明超聲噴丸處理后的材料在表面形成了殘余壓應(yīng)力、晶粒細(xì)化的納米強(qiáng)化表層。1.5高壓水射流技術(shù)1.5.1高壓水射流概述近幾十年,高壓水射流是迅速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，作為清洗、切割、破碎工具，水射流具有其獨(dú)特的優(yōu)越性。近年來(lái)，隨著大型化、智能化、專(zhuān)用化的高壓水射流裝備的迅速發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用到眾多的領(lǐng)域。13主要應(yīng)用于航空、制鋁、汽車(chē)、食品加工等方面。高壓清

20、洗技術(shù)現(xiàn)如今也廣泛應(yīng)用，具有清洗成本低、速度快、清凈率高、不損壞被清洗物、應(yīng)用范圍廣、不污染環(huán)境等特點(diǎn)。高壓水射流不僅可以切割各類(lèi)金屬、非金屬、塑性或脆性硬材料，而且工藝簡(jiǎn)單，工件的材料物理、機(jī)械性能不會(huì)破壞。未來(lái)有比較長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展前景。1.5.2高壓純水水射流高壓純水射流是利用高速水束的動(dòng)能，目前主要應(yīng)用于各種作業(yè)中，若用于切割，則只適用于較軟的材料，如紙、視頻、泡沫塑料、碳纖維織物等材料的切割。最近幾年，國(guó)際上有研究人員研制了超高壓出水自動(dòng)除銹設(shè)備，除銹能力極強(qiáng)，速度高且質(zhì)量好。1.5.3高效射流為了提高射流的效率和總體沖擊，專(zhuān)家總結(jié)出了三種高效射流方式：脈沖射流、空化射流、磨料射流。脈沖射

21、流是將水已脈沖的形式射擊在靶體上，充分利用水錘效應(yīng)，增大了作用在試樣的力，有利于材料的破壞裂紋迅速擴(kuò)散。脈沖射流在靶物表面產(chǎn)生的沖擊力遠(yuǎn)超過(guò)了一般連續(xù)射流的滯止壓力，可以非常顯著地提高水射流的切割、破碎能力。13空化射流是通過(guò)控制噴嘴到試樣表面的距離，讓水從噴嘴射出并人為地誘導(dǎo)空泡初生，并使其在運(yùn)動(dòng)中逐漸長(zhǎng)大。當(dāng)空泡隨水射流射擊到試樣表面，由于壓力的作用消滅。同樣的流量和泵壓下，相比普通水射流，空化射流的清洗切割效果更加突出。磨料射流是磨料和高壓水互相混合一起從噴嘴從噴出，形成固液兩相射流。高壓水能將動(dòng)能傳遞到磨料上，使磨料粒子能對(duì)試樣有更高頻的沖擊、磨削作用，從而有效提高射流的效率和切割能力

22、，并且可以降低切割時(shí)對(duì)水壓的要求。在相同條件下，磨料射流比純水射流的切割效率高出810倍。因此，目前水切割、清洗、除銹等領(lǐng)域中，大部分設(shè)備都采用磨料射流的方式。1.6高壓水射流國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓水射流的應(yīng)用研究都十分熱門(mén)，主要的有運(yùn)用在高壓水清洗、高壓水除銹等方面。例如張黎霞14等研發(fā)了超高壓清洗機(jī)除銹技術(shù)，高壓清洗機(jī)通過(guò)高壓油泵、增壓器將普通水增壓到170250 MPa的超高壓力，然后通過(guò)噴嘴快速將水噴出。通過(guò)此方法，水射流能量高度集中，速度將近于音速的3倍，像水箭一樣沖擊、磨削被清理的金屬表面。銹蝕層、結(jié)垢等多為層狀或多孔狀分布，一旦垢層被滲透，超高壓水射流就呈楔子狀插入垢層

23、和金屬表面之間。當(dāng)其沖擊能、楔劈力大于垢層和基體母材的附著極限強(qiáng)度時(shí)，銹蝕、垢層便被清除。 而目前將高壓水射流應(yīng)用于金屬表面納米化技術(shù)的少之又少。熊天英15等研究發(fā)明一中新的表面納米化方法，高壓液體通過(guò)噴嘴產(chǎn)生固液雙向的射流，純水中攜帶了硬質(zhì)顆粒以高速連續(xù)轟擊金屬材料表面使其發(fā)生納米化。它的原理主要是：利用高壓液體發(fā)生設(shè)備產(chǎn)生攜帶顆粒的高速水流，連續(xù)轟擊金屬表面而引起表面產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形和大量位錯(cuò)、孿晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致晶粒細(xì)化最終形成有一定厚度的納米晶。1.7離子注入技術(shù)1.7.1離子注入基本原理離子注入是可以將幾乎任何元素都注入進(jìn)固體材料表面的過(guò)程，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于對(duì)材料表面的改性。注入方式是通過(guò)高

24、壓離子束打到放在真空室中的靶上，轟擊的離子與基體表面的電子及原子碰撞并消耗盡其能量，注入到基體表面的深度是幾個(gè)到幾百nm,注入深度取決于所選擇的電壓、基體上的離子及原子數(shù)量，離子注入的最大濃度通常指基體表面以下，注入離子的濃度遵循高斯分布。1.7.2離子注入設(shè)備 MEVVA源是一種新型強(qiáng)流金屬離子源，可產(chǎn)生元素周期表中從鋰到鈾的所有金屬離子，金屬離子束流強(qiáng)、束斑大，特別適用于科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用。使用MEVVA源的強(qiáng)流離子注入機(jī)是新一代離子注入材料表面改性設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，效率高，成本低，工作穩(wěn)定可靠。其中我們將采用的是MEVVA100離子注入機(jī)，是具有目前世界上最大束流功率的金屬離子注入機(jī)

25、。特點(diǎn)：采用高占空比、大引出面積、凸形高透過(guò)率引出電極等新技術(shù)，增加了引出束流強(qiáng)度，擴(kuò)大了注入面積，采用2米直徑的巨型真空靶室，可以適用于多種尺寸的工件，真空系統(tǒng)自動(dòng)化，具有大口徑高真空閥門(mén)，處理能力強(qiáng)，效率高，適合工業(yè)化規(guī)模批量生產(chǎn)的要求。采用傾斜注入方式結(jié)合靶盤(pán)公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)與定位自轉(zhuǎn)，可以在大面積上實(shí)現(xiàn)均勻注入。1.7.3離子注入對(duì)不銹鋼的影響 Mo離子注入不銹鋼能提高不銹鋼表面的耐腐蝕性能。在0.1mol/ L NaCl溶液中, Mo離子注入對(duì)不銹鋼耐腐蝕性能的影響取決于不銹鋼表層Mo離子濃度。氮離子注入到各種鋼材可以很大程度提高其機(jī)械性能。16 Si離子注入430不銹鋼、316L不銹鋼將提

26、高其在各種氯化物溶液中的耐點(diǎn)腐蝕性能。對(duì)于316L不銹鋼的研究結(jié)果是,當(dāng)Si離子注入量達(dá)到1.5ions/時(shí), 316L不銹鋼表面生成非晶態(tài),經(jīng)氯化物溶液浸泡實(shí)驗(yàn)表明提高了耐點(diǎn)腐蝕的性能;當(dāng)試樣經(jīng)300退火后,抗點(diǎn)腐蝕性能提高更多，但經(jīng)500退火后,其耐點(diǎn)腐蝕性能則急劇下降,盡管所有的試樣都保持著非晶態(tài)表面。 研究表明,Ti離子注入不銹鋼帶來(lái)的不總是有利的影響,還有不利影響。Al離子注入不銹鋼會(huì)產(chǎn)生混合結(jié)果。Al離子注入321不銹鋼,對(duì)其在0.5mo l/ L硫酸溶液中的全面腐蝕速率產(chǎn)生不利影響，降低鈍化電流密度。但Al離子注入鐵素體不銹鋼,在3%NaCl溶液中,雖導(dǎo)致其點(diǎn)腐蝕電位稍有下降,但

27、可增加其在酸浸蝕溶液中的極化阻抗,其增加幅度是未被離子注入的1.63.4倍。N、C、P等各種非金屬也可以注入到不銹鋼中。大量的研究證明,N離子注入不銹鋼能提高材料的耐腐蝕性能。若腐蝕液位硫酸溶液中，則可降低腐蝕速率、鈍化臨界電流密度及鈍化電流密度。N離子注入還可提高各種不銹鋼在氯化物溶液中抗局部腐蝕性能。171.8本課題研究意義及主要研究?jī)?nèi)容1.8.1課題研究的目的和意義到目前為止，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多表面納米化的工藝，如表面機(jī)械研磨處理、噴丸處理、深軋?zhí)幚?、超聲冷鍛等等。然而這些技術(shù)要么工藝復(fù)雜、效率低，要么處理后材料表面不夠光潔或難以加工大尺寸的樣品。同時(shí)無(wú)法對(duì)異形表面進(jìn)行納米化及合金化處理

28、。因此，開(kāi)發(fā)一種可以對(duì)異性表面合理的納米化、合金化工藝是非常有必要的。高壓水納米化處理金屬表面，有著水射流獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)：清潔、環(huán)保、冷加工、對(duì)金屬材料內(nèi)部機(jī)械性能等不產(chǎn)生任何影響。同時(shí)由于表層的納米層結(jié)構(gòu)大大提高了316L不銹鋼材料的強(qiáng)度硬度，但是表面粗糙度下降，抗腐蝕性能下降。而離子注入作為新的表面改性方法，有著不改變材料表面其他性能的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)研究表明，將N、Cr、Al三種元素分別以一定速率和能量注入不銹鋼，不銹鋼的抗點(diǎn)蝕能力提高。并且磨損摩擦性能也有一定的提高。所以通過(guò)離子注入經(jīng)過(guò)納米化后的316L不銹鋼，在材料表面產(chǎn)生非晶態(tài)或第二相，能提高其抗腐蝕性能。經(jīng)過(guò)納米化以及離子注入的不銹鋼，

29、將有更高的強(qiáng)度硬度，以及抗腐蝕、磨損摩擦性能，將在工業(yè)、食品、醫(yī)藥等方向有更大的應(yīng)用范圍。1.8.2課題研究的主要內(nèi)容（1）高壓水射流納米化處理金屬表面的微觀結(jié)構(gòu)研究采用高壓水射流設(shè)備，在316L不銹鋼表面制備一層納米層結(jié)構(gòu)。通過(guò)不同的水噴射時(shí)間得到不同厚度的納米層，對(duì)其分別進(jìn)行研究和對(duì)比。（2）納米化后316L不銹鋼的力學(xué)性能和腐蝕性能的研究研究了通過(guò)高壓水射流噴射后形成的納米層結(jié)構(gòu)對(duì)316L不銹鋼的硬度、強(qiáng)度、摩擦磨損性能和電化學(xué)腐蝕性能的影響，并分析316L不銹鋼力學(xué)性能的機(jī)理。（3）表面納米化的機(jī)理研究通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)分析，研究高壓水射流噴射后不銹鋼制備出納米層的機(jī)理。（4）離子注入納米化

30、后的316L不銹鋼的微觀分析通過(guò)合適的劑量，向納米化處理后的316L不銹鋼中分別注入Cr、N、Ni、Ti四種金屬離子，在不銹鋼表層形成一層新的結(jié)構(gòu)，研究不同離子注入對(duì)納米層結(jié)構(gòu)的影響。（5）離子注入后316L不銹鋼的力學(xué)性能和腐蝕性能的研究研究通過(guò)離子注入后，316L不銹鋼新形成的結(jié)構(gòu)層對(duì)其硬度、強(qiáng)度、摩擦磨損性能和電化學(xué)腐蝕性能的影響，并分析316L不銹鋼力學(xué)性能和抗腐蝕性能的機(jī)理。（6）結(jié)論對(duì)316L不銹鋼以高壓水射流納米化后再進(jìn)行離子注入的表面性能的表征和分析，得到最后的結(jié)果。第2章 實(shí)驗(yàn)材料及研究方法2.1實(shí)驗(yàn)工藝流程繪制高壓水射流液壓裝置圖繪制高壓水射流液壓裝置圖高壓水射流知識(shí)學(xué)習(xí)及

31、了解圖2-1 高壓水射流設(shè)備的設(shè)計(jì)流程金屬板材金屬板材退火、磨削水切割設(shè)備不同參數(shù)下處理切割、丙酮清洗機(jī)理分析微觀結(jié)構(gòu)表征力學(xué)性能測(cè)試腐蝕性能測(cè)試圖2-2 高壓水射流對(duì)316L不銹鋼表面納米化的工藝流程圖腐蝕性能測(cè)試腐蝕性能測(cè)試力學(xué)性能測(cè)試微觀結(jié)構(gòu)表征最優(yōu)水射流處理后的板材離子注入Al切割、丙酮清洗機(jī)理分析圖2-3 離子注入高壓水射流處理后的316L不銹鋼的工藝流程圖 圖2-1位高壓水射流的設(shè)計(jì)流程。圖2-2是高壓水射流表面納米化的工藝流程圖。圖2-3是離子注入水射流處理后的316L不銹鋼的工藝流程圖。從圖中我們可以看出，主要要解決的問(wèn)題是通過(guò)高壓水射流制備納米結(jié)構(gòu)層并分析其微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的

32、影響以及離子注入對(duì)性能的影響，這個(gè)在之后會(huì)進(jìn)行討論。2.2實(shí)驗(yàn)裝置 本課題目的在于自主設(shè)計(jì)出一臺(tái)能用于制備出納米結(jié)構(gòu)層的高壓水射流表面改性設(shè)備，前期繪制出了裝配圖和零件圖。在后面一章會(huì)有詳細(xì)說(shuō)明。 但由于經(jīng)費(fèi)和時(shí)間有限，最終采用了實(shí)習(xí)工廠中的高壓水切割設(shè)備。如圖2-4所示。 圖2-4 高壓水切割機(jī)2.3實(shí)驗(yàn)材料 本實(shí)驗(yàn)采用的原材料是厚度為10mm的316L不銹鋼，其化學(xué)成分如表1-1所示。在高壓水射流處理前，316L不銹鋼先通過(guò)線切割加工成的塊體，隨后用丙酮和酒精進(jìn)行超聲清洗后，再進(jìn)行退火，以達(dá)到均勻狀態(tài)。退火處理是將316L不銹鋼加熱到900并保溫2小時(shí)。然后取出冷卻，用磨床抹去由于退火產(chǎn)生

33、的表面氧化物，使表面平整光潔。表2-1 316L不銹鋼的化學(xué)成分 材料（wt）CSiMnSCrNiMoCu不銹鋼0.0190.351.680.0717.0711.952.041.142.4高壓水射流工藝參數(shù)的設(shè)計(jì) 高壓水射流處理316L不銹鋼的幾個(gè)重要參數(shù)分別是水壓、噴嘴走速、處理時(shí)間和板材與噴嘴的角度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)水壓等于或超過(guò)250Mpa，由于水壓過(guò)大，在處理試樣的過(guò)程中會(huì)使發(fā)生塑性變形的表面被破壞和劃傷。而如果壓力太小，那導(dǎo)致塑性變形的切應(yīng)力又太小，細(xì)化晶粒能力差。而噴嘴 走速若太慢會(huì)導(dǎo)致板材被切割，150mm/min會(huì)破壞表面；若走速太快又會(huì)使表面塑性變形不完全。在相同噴嘴移動(dòng)速度

34、和水壓下，當(dāng)掃掠相同面積的次數(shù)越多，晶粒細(xì)化程度越高。所以，經(jīng)過(guò)一系列的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，我們選擇了噴嘴走速400mm/min，噴嘴到板材表面20mm以及板材于噴嘴的傾角為45。通過(guò)水壓和走速的改變，研究高壓水射流制備納米結(jié)構(gòu)層的影響。2.5顯微組織結(jié)構(gòu)分析方法2.5.1 X射線衍射儀（X-Ray Diffraction，XRD）X射線衍射是是一種波長(zhǎng)（0.06-20nm）很短的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相機(jī)乳膠感光、氣體電離。用高能電子束轟擊金屬靶產(chǎn)生X射線，它具有靶中元素相對(duì)應(yīng)的特定波長(zhǎng)，稱(chēng)為特征X射線。XRD是利用X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象來(lái)分析材料的晶體結(jié)構(gòu)、

35、晶格參數(shù)、晶體缺陷（位錯(cuò)等）、不同結(jié)構(gòu)相得含量及內(nèi)應(yīng)力的方法。根據(jù)與晶體樣品產(chǎn)生衍射后的X射線信號(hào)的特征去分析計(jì)算出樣品的晶體結(jié)構(gòu)與晶格參數(shù)，并可以達(dá)到很高的精度。18原理：將具有一定波長(zhǎng)的X射線照射到結(jié)晶性物質(zhì)上時(shí)，X射線因在結(jié)晶內(nèi)遇到規(guī)則排列的院子或離子而發(fā)生散射，散射的X射線在某些方向上相位得到增強(qiáng)，從而顯示與結(jié)晶結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的特有的衍射現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)采用的是型號(hào)為D/max-2500的X射線衍射儀進(jìn)行分析表中。實(shí)驗(yàn)條件：波長(zhǎng)的Cu靶K輻射，管電壓為60Kv，管電流為20mA。發(fā)散狄峰和散射狄峰均為1，接受狄峰為0.3mm，掃描速度為4/min，掃面范圍為40-100。實(shí)驗(yàn)在室溫進(jìn)行，用標(biāo)準(zhǔn)

36、單晶硅標(biāo)樣校正儀器。高壓水射流處理后的物相結(jié)構(gòu)、物相含量、平均晶粒尺寸和微觀應(yīng)變均可分析。2.5.2光學(xué)顯微鏡（OM，Optical Microscope）和掃描電子顯微鏡（SEM， Scanning Electron Microscope） 光學(xué)顯微鏡是利用光學(xué)原理，把人眼所不能分辨的微小物體放大成像，以供人們提取微細(xì)結(jié)構(gòu)信息的光學(xué)儀器。光學(xué)顯微鏡一般由 HYPERLINK /view/1238516.htm t /_blank 載物臺(tái)、聚光照明系統(tǒng)、物鏡，目鏡和調(diào)焦機(jī)構(gòu)組成。載物臺(tái)用于承放被觀察的物體。利用調(diào)焦旋鈕可以驅(qū)動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)，使載物臺(tái)作粗調(diào)和微調(diào)的升降運(yùn)動(dòng)，使被觀察物體調(diào)焦清晰成像。

37、通過(guò)該工具我們可以直觀的觀察材料樣品的組織形貌。掃描電子顯微鏡是利用二次電子信號(hào)成像來(lái)觀察樣品的 HYPERLINK /view/627227.htm t /view/_blank 表面形態(tài)，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過(guò)電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)，其中主要是樣品的二次電子發(fā)射。分辨率可達(dá)到1nm，放大倍數(shù)可達(dá)到。本實(shí)驗(yàn)采用XLG-04型金相微觀鏡和su-70場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察表面納米化前后的橫截面的顯微組織。在觀察顯微組織前，需要將試樣制備成金相樣品，然后分別進(jìn)行研磨、拋光、腐蝕。我們采用的腐蝕劑為王水。成分如表2-2所示。表2-2 316L不銹鋼的金相腐蝕劑材料腐蝕劑（體

38、積比）316L不銹鋼硝酸：鹽酸=1:3另外，通過(guò)SEM也可以進(jìn)行EDS的表征。它是利用不同元素的X射線光子特征能量不同進(jìn)行成分分析。 2.5.3能譜儀（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS)能譜儀（EDS）是一個(gè)重要的附件，它同主機(jī)共用一套光學(xué)系統(tǒng)，可對(duì)材料中感興趣部位的化學(xué)成分進(jìn)行點(diǎn)分析、面分析、先分析。通過(guò)SEM進(jìn)行EDS分析，可以獲得樣品某一區(qū)域不同成分分布狀態(tài)，也就是：用掃描觀察裝置使電子束在試樣上做二位掃描，測(cè)量其特征X射線強(qiáng)度的二維分布像。本次試驗(yàn)中就是要分析元素從表層到內(nèi)部沿深度的含量變化，是定性和定量的分析。2.5.4 金相觀察首先制備金相試樣，

39、通過(guò)線切割取樣，再經(jīng)過(guò)鑲嵌、磨制、拋光、腐蝕共五個(gè)步驟。取樣 將高壓水射流處理后的板材加持在線切割機(jī)器上，通過(guò)設(shè)定一定的程序切下的試樣，再用酒精超聲清洗，進(jìn)行下一步操作。鑲嵌 對(duì)樣品進(jìn)行超聲清洗后，將其放入金相鑲嵌機(jī)，再加入 HYPERLINK /subview/399689/399689.htm t /_blank 酚醛塑料粉在一個(gè)特定的模具里通過(guò)高溫高壓而形成。最后制備得樣品。磨制 鑲嵌好的樣品并不十分平整，還需要打磨光滑平整，以便于觀察。一般都采用手工磨光，用金相砂紙按粗細(xì)從200目，400目，600目，800目，最后100目。為了得到水平光滑的試樣，一般會(huì)將砂紙放在玻璃上，之后手拿試樣

40、，將要磨的平面朝下，用力均勻的在砂紙上磨削?；爻虝r(shí)不能與砂紙接觸，否則會(huì)使表面產(chǎn)生弧度。每次換砂紙都要將試樣旋轉(zhuǎn)90再磨，直到看不到上一張砂紙磨過(guò)的痕跡才可以繼續(xù)磨下一張。拋光 在拋光機(jī)上用絨布拋光。316L不銹鋼比較硬，我們采用金剛石作為拋光劑。在布上倒入少量水清洗，再?lài)娚辖饎偸勰┻M(jìn)行拋光。然后將試樣水平輕壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤(pán)上，并不時(shí)稍微旋轉(zhuǎn)，以防止產(chǎn)生方向性痕跡。當(dāng)從顯微鏡下看不到劃痕時(shí)，拋光結(jié)束，最后將試樣放入水或者酒精中進(jìn)行超聲清洗。腐蝕 拋光后的試樣在顯微鏡中并不能直接看到晶粒組織，需要進(jìn)行腐蝕。將配置好的王水滴在試樣表面，15s后洗去表面腐蝕液，用酒精洗凈即可在顯微鏡下看到清晰的晶

41、粒。2.6性能測(cè)試方法2.6.1顯微硬度測(cè)試 顯微硬度是一種壓入 HYPERLINK /view/34359.htm t /view/_blank 硬度，反映被測(cè)物體對(duì)抗另一硬物體壓入的能力。測(cè)量的儀器是顯微硬度計(jì)，它實(shí)際上是一臺(tái)設(shè)有加負(fù)荷裝置帶有目鏡測(cè)微器的 HYPERLINK /view/2921.htm t /view/_blank 顯微鏡。測(cè)定之前，先將待測(cè)試樣磨平拋光至鏡面，然后置于顯微硬度計(jì)的載物臺(tái)上，通過(guò)加負(fù)荷裝置對(duì)四棱錐形的金剛石壓頭加壓。負(fù)荷的大小可根據(jù)待測(cè)材料的硬度不同而增減。金剛石壓頭壓入試樣后，在試樣表面上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)凹坑。把顯微鏡十字絲對(duì)準(zhǔn)凹坑，用目鏡測(cè)微器測(cè)量凹坑對(duì)角

42、線的長(zhǎng)度。根據(jù)所加負(fù)荷及凹坑對(duì)角線長(zhǎng)度就可計(jì)算出所測(cè)物質(zhì)的顯微硬度值。顯微硬度計(jì)算公式為：其中：HV顯微硬度（）； P載荷（kg）； d凹痕對(duì)角線長(zhǎng)度（mm）；通過(guò)公式計(jì)算出材料的顯微硬度值。本實(shí)驗(yàn)采用的是DHV-1000顯微硬度計(jì)，加載載荷為20g，加載時(shí)間為15s，每次測(cè)量3-5個(gè)點(diǎn)，然后取平均值。2.6.2摩擦磨損測(cè)試摩擦磨損試驗(yàn)，測(cè)定材料抵抗 HYPERLINK /view/293115.htm t /view/_blank 磨損能力的一種 HYPERLINK /view/4422153.htm t /view/_blank 材料試驗(yàn)。通過(guò)這種試驗(yàn)可以比較材料的 HYPERLINK /

43、subview/735585/735585.htm t /view/_blank 耐磨性?xún)?yōu)劣。本實(shí)驗(yàn)采用的是MRTR球盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。將試樣制備成大小為，并且保證試樣水平以及待測(cè)試表面光滑。球形靜止鍵或平面靜止鍵在精確控制的載荷作用下垂直接觸試樣表面。試樣轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與靜止鍵摩擦產(chǎn)生的切向力可以通過(guò)剛性杠桿的微小位移精確測(cè)量。試樣和靜止鍵的磨損系數(shù)可通過(guò)測(cè)試過(guò)程中磨損失掉的材料體積由CSM軟件自動(dòng)計(jì)算。2.6.3腐蝕性測(cè)試 本實(shí)驗(yàn)采用的是電化學(xué)工作站分別對(duì)高壓水射流以及Al離子注入后的樣品進(jìn)行腐蝕性能的分析。在室溫下進(jìn)行測(cè)試，腐蝕液為3.5%NaCl溶液，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，

44、工作電極則為腐蝕樣品。試驗(yàn)樣品是通過(guò)線切割得到的大小。將樣品進(jìn)行清洗、干燥。第3章 高壓水射流表面改性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1高壓水射流系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案高壓水射流系統(tǒng)的性能是影響水射流制備納米層的極其關(guān)鍵的因素，射流類(lèi)型、設(shè)計(jì)參數(shù)以及工作穩(wěn)定性等影響。本章從以上幾方面來(lái)完成總的高壓水射流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目的使它的性能達(dá)到最優(yōu)。3.1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)目前水射流切割技術(shù)應(yīng)用廣泛，而針對(duì)水射流制備金屬表面納米結(jié)構(gòu)層的系統(tǒng)還很少有。本文主要結(jié)構(gòu)目前現(xiàn)有的水射流切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種用于工業(yè)中制備金屬板材表面納米層的高壓水射流表面改性系統(tǒng)。3.1.2射流類(lèi)型 連續(xù)射流是最早的切割射流形式，它有許多優(yōu)點(diǎn)，例如

45、切割穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制等。但隨著科技發(fā)展，為了提高射流的效率和總體沖擊，專(zhuān)家總結(jié)出了三種高效射流方式：脈沖射流、空化射流、磨料射流。 脈沖射流是將水已脈沖的形式射擊在靶體上，充分利用水錘效應(yīng)，增大了作用在試樣的力，有利于材料的破壞裂紋迅速擴(kuò)散。脈沖射流在靶物表面產(chǎn)生的沖擊力遠(yuǎn)超過(guò)了一般連續(xù)射流的滯止壓力，可以非常顯著地提高水射流的切割、破碎能力。13 空化射流是通過(guò)控制噴嘴到試樣表面的距離，讓水從噴嘴射出并人為地誘導(dǎo)空泡初生，并使其在運(yùn)動(dòng)中逐漸長(zhǎng)大。當(dāng)空泡隨水射流射擊到試樣表面，由于壓力的作用消滅。同樣的流量和泵壓下，相比普通水射流，空化射流的清洗切割效果更加突出。 磨料射流是磨料和高壓

46、水互相混合一起從噴嘴從噴出，形成固液兩相射流。高壓水能將動(dòng)能傳遞到磨料上，使磨料粒子能對(duì)試樣有更高頻的沖擊、磨削作用，從而有效提高射流的效率和切割能力，并且可以降低切割時(shí)對(duì)水壓的要求。在相同條件下，磨料射流比純水射流的切割效率高出810倍。因此，目前水切割、清洗、除銹等領(lǐng)域中，大部分設(shè)備都采用磨料射流的方式。結(jié)合本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)和現(xiàn)有的射流形式分析，最終選擇連續(xù)射流方式來(lái)完成金屬材料的表面改性。因?yàn)槟壳肮I(yè)中應(yīng)用的高壓水切割系統(tǒng)都是添加磨料來(lái)進(jìn)行射流切割，而本文設(shè)計(jì)的高壓水射流是通過(guò)純水射流使金屬表面發(fā)生塑性變形。3.1.3高壓水射流表面改性系統(tǒng)純水射流表面改性系統(tǒng)主要由高壓水裝置、水射流噴嘴、

47、切割平臺(tái)、控制系統(tǒng)、水循環(huán)處理系統(tǒng)等其他附件組成，如圖3-1。其中高壓水裝置是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的一部分，為整個(gè)系統(tǒng)提供高壓水，它的組成部分主要為電機(jī)、高壓泵、蓄能器等組成。目前國(guó)內(nèi)外最常用的高壓泵有三柱塞高壓水泵和增壓器。高壓水裝置高壓水裝置噴嘴工作臺(tái)水循環(huán)處理系統(tǒng)控制系統(tǒng) 圖3-1 純水射流系統(tǒng)原理圖3.1.4高壓水發(fā)生裝置 水射流表面改性系統(tǒng)一般需要較高的工作壓力，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行水射流表面改性處理需要200Mpa及以上的壓力，因此在本次的設(shè)計(jì)中我們將壓力定于400Mpa。而如此高的水壓對(duì)系統(tǒng)的高壓水裝置有很高的要求。這次應(yīng)用的是工業(yè)中最常用的高壓水裝置高壓水泵和增壓器兩類(lèi)。高

48、壓水泵 在目前工業(yè)中的水切割系統(tǒng)中常選用三柱塞高壓往復(fù)泵，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便拆卸等。但三柱塞往復(fù)泵的價(jià)格昂貴、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)水質(zhì)的要求也非常高。所以在水從水箱進(jìn)入柱塞泵前需要進(jìn)行過(guò)濾。（2）增壓器1.單作用增壓器 增壓器又名增壓液壓缸，是將輸入的液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出的能量轉(zhuǎn)換元件，它直接拖動(dòng)外界負(fù)載，是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件。其輸入的能量通過(guò)活塞、柱塞機(jī)構(gòu)由工作流體傳遞到系統(tǒng)流體。工作流體流入大面積的活塞腔并傳遞作用力于大面積活塞，推動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，這樣與大活塞相連的柱塞推動(dòng)柱塞腔內(nèi)的系統(tǒng)流體使之增壓，兩側(cè)流體的壓力比即為活塞與柱塞面積比。單作用的增壓器分為兩個(gè)行程，排出和吸入，但是只有在排出行程

49、中才會(huì)增壓，所以高壓流體的壓力不能連續(xù)輸出。見(jiàn)圖3-2. 圖3-2 單作用增壓器2.雙作用增壓器 雙作用增壓器兩端都有活塞桿，有兩個(gè)高壓腔，使當(dāng)在吸入行程中也有高壓流體輸出?；钊麠U來(lái)回運(yùn)動(dòng)中能一直保持連續(xù)的高壓流體輸出，減小了壓力脈動(dòng)，同時(shí)也具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。這也是國(guó)內(nèi)外目前水切割設(shè)備多采用該增壓器的原因。3.相控式增壓泵 雙作用增壓器能在活塞一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)中有兩次增壓，但在換向時(shí)仍有很大的壓力脈動(dòng)，通過(guò)還需要加一個(gè)高壓的蓄能器來(lái)減小壓力脈動(dòng)。相控式增壓泵系統(tǒng)，就是為了獲得更穩(wěn)定的高壓輸出而研發(fā)。相控式增壓泵是有控制系統(tǒng)控制換向閥的通路，使增壓泵中的活塞在液壓油和壓縮空氣的推動(dòng)下往復(fù)

50、運(yùn)動(dòng)，增壓泵的兩個(gè)高壓缸在單向閥的控制下不停交替進(jìn)行吸入低壓水和排出高壓水的動(dòng)作，從而使水加壓。其中兩個(gè)剛中的活塞運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，有PLC控制系統(tǒng)控制。43.1.5 高壓水射流表面改性系統(tǒng)結(jié)合上述的分析，本次設(shè)計(jì)的高壓水射流表面改性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3-3所示。圖3-3 高壓水射流表面改性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖主要組成部分有：（1）高壓水生成系統(tǒng) 高壓水生成系統(tǒng)由三部分組成：增壓系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)和供水系統(tǒng)。水箱16、過(guò)濾器20和21、水液壓柱塞泵19、單向閥23、安全閥22、電磁調(diào)壓溢流閥17等組成供水系統(tǒng)，主要是提供一定壓力和流量的水給予增壓系統(tǒng)并驅(qū)動(dòng)增壓器的工作。安全閥22在系統(tǒng)中起安全保護(hù)作用。

51、當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，安全閥打開(kāi)，將系統(tǒng)中的一部分流體排入管道外，使系統(tǒng)壓力不超過(guò)允許值，從而保證系統(tǒng)不因壓力過(guò)高而發(fā)生事故。電磁調(diào)壓溢流閥17主要作用是調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力并控制水液壓泵的卸載。而增壓系統(tǒng)的主要組成部分為水液壓增壓器5、二位二通電磁換向閥1、3、6、25和單向閥2、3、7、8等組成。四個(gè)二位二通電磁換向閥用于控制增壓器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成連續(xù)的高壓水輸出。其中增壓器中的高壓和低壓的活塞腔中的水都是由供水系統(tǒng)提供。低壓水通過(guò)單向閥2、7進(jìn)入增壓器，而高壓水通過(guò)單向閥3、8從增壓器輸出。穩(wěn)壓系統(tǒng)主要為穩(wěn)壓容器9，用于儲(chǔ)存高壓水，同時(shí)減小增壓器換向時(shí)引起的較大的壓力脈動(dòng)，這樣噴嘴中射出的高壓

52、水會(huì)更加的穩(wěn)定。（2）射流表面改性系統(tǒng) 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是純水射流，由截止閥11、噴嘴12和工作臺(tái)14組成。（3）水處理系統(tǒng) 水處理系統(tǒng)主要由水循環(huán)處理系統(tǒng)15負(fù)責(zé)，將處理過(guò)金屬表面的水進(jìn)行循環(huán)利用（過(guò)濾、降溫等處理），很好地符合現(xiàn)在社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求。（4）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的組成部分:電磁調(diào)壓溢流閥17、二位二通電磁換向閥四個(gè)1、4、6、25和噴嘴。電磁調(diào)壓溢流閥主要用于調(diào)節(jié)工作壓力。4個(gè)換向閥配合使用進(jìn)行水的輸送。當(dāng)活塞受力推動(dòng)缸蓋上的觸桿，并使其壓下安裝在增壓器上的行程開(kāi)關(guān)，則會(huì)產(chǎn)生換向信號(hào)，增壓器換向。3.2高壓水射流表面改性系統(tǒng)主要參數(shù)確定3.2.1系統(tǒng)的主要參數(shù)（1）最高工作壓力

53、 根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)得出，316L不銹鋼表面改性所需要的高壓水為200Mpa以上，在磨料水射流切割系統(tǒng)中，常用工作壓力為400Mpa。為了能極大程度滿足所有金屬材料的表面改性，本設(shè)計(jì)的最大壓力為380Mpa。考慮到高壓水在管路內(nèi)流動(dòng)時(shí)的壓力損失，確定液壓增壓器設(shè)計(jì)壓力為400Mpa。（2）噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù) 本文涉及的水射流表面改性系統(tǒng)是純水射流，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，純水噴嘴內(nèi)徑為0.180.5mm，在設(shè)計(jì)中將噴嘴內(nèi)徑設(shè)定為0.2mm。（3）耗水量 本文設(shè)計(jì)的水射流表面改性系統(tǒng)，完全用水為工作介質(zhì)，耗水量主要是增壓器用水和作用金屬表面的水射流。從噴嘴射出的水主要與壓力、噴嘴內(nèi)徑、噴嘴的形狀等決定。增壓器的用水量主要

54、有增壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)決定。本文設(shè)計(jì)的噴嘴口為圓形，根據(jù)水力學(xué)公式和增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)可以估算出耗水量，在工作壓力為380Mpa的情況下，純水射流噴嘴內(nèi)徑為0.2mm，耗水量大約為100L/min。（4）水質(zhì) 高壓水射流表面改性系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)要求非常高，有利于提高增壓器、柱塞泵、各類(lèi)閥的壽命，同時(shí)還會(huì)提高噴嘴的壽命。在420Mpa的水射流切割系統(tǒng)中對(duì)水質(zhì)的要求是：大于0.5m的雜志都需要除去，所以在水進(jìn)入泵前要經(jīng)過(guò)三道過(guò)濾網(wǎng)，尺寸分別為:1020m、1m和0.5m。5文的設(shè)計(jì)中，為了提高水箱的清潔，在進(jìn)入水箱的水先進(jìn)行過(guò)濾，采用10m孔徑濾網(wǎng)進(jìn)行粗過(guò)濾。隨后在系統(tǒng)入口依次安裝1m和0.5m的過(guò)濾器。3.

55、2.2高壓水裝置主要參數(shù)（1）最高工作壓力 根據(jù)實(shí)驗(yàn)和論文文獻(xiàn)中的查閱以及上述設(shè)計(jì)要求，將高壓水射流表面改性系統(tǒng)的最高工作壓力定位380Mpa。（2）增壓比 目前工業(yè)應(yīng)用中的液壓元件的額定工作壓力多數(shù)為1314Mpa，所以初設(shè)增壓比為。（3）水液壓泵參數(shù) 根據(jù)增壓比和整個(gè)系統(tǒng)的工作壓力可以估算出水液壓泵的工作壓力?？紤]到系統(tǒng)中壓力損失，選用PAHT90的水液壓柱塞泵，額定工作壓力16Mpa，轉(zhuǎn)速范圍7001800r/min，排量90ml/r。在1400r/min下，穩(wěn)定的流量大約為116L/min。（4）電磁換向閥參數(shù) 根據(jù)估算的系統(tǒng)流量值選擇VDH 120E 2/2二位二通電磁換向閥，額定工

56、作壓力14Mpa，壓降0.6Mpa，公稱(chēng)流量120L/min。開(kāi)啟時(shí)間150ms，關(guān)閉時(shí)間400ms。3.3高壓水射流水液壓增壓器的設(shè)計(jì)分析液壓增壓器是增壓器式高壓水發(fā)生裝置的核心部件，只有需要超高壓的地方都需要它，它的穩(wěn)定性和可靠性決定著整個(gè)高壓水射流裝置的性能，是本次設(shè)計(jì)中最重要和關(guān)鍵的部分。我主要從它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著手，以及分析它的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)特性等。3.3.1增壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)增壓器的主要參數(shù)1.設(shè)計(jì)壓力和增壓比 根據(jù)已知，采用高壓水射流方法制備316L不銹鋼納米結(jié)構(gòu)層需要200Mpa的水壓，而為了能使該設(shè)備具有更加廣泛的應(yīng)用前景，我們將最大增壓器工作水壓設(shè)定在380Mpa下，考慮到有

57、一定的能力損耗，設(shè)計(jì)壓力在400Mpa，增壓比。增壓器活塞桿直徑預(yù)估噴嘴出口水射流流速，根據(jù)水力學(xué)公式1得純水射流時(shí)設(shè)定水噴嘴內(nèi)徑為，則高壓水流量為經(jīng)驗(yàn)表明，增壓器活塞運(yùn)動(dòng)速度范圍為0.20.25m/s，增壓器的泵速通常為80100之間2。取增壓器活塞的運(yùn)動(dòng)速度。則高壓缸活塞桿的直徑為根據(jù)GB/T 2348-1993，活塞桿直徑圓整為。活塞的運(yùn)動(dòng)速度3.增壓器活塞直徑本文設(shè)計(jì)的水液壓增壓器的增壓比為，故活塞的直徑為根據(jù)GB/T 2348-1993，活塞直徑圓整為。實(shí)際增壓比為4.增壓器行程雙作用增壓器活塞運(yùn)動(dòng)速度為公式中：s活塞行程長(zhǎng)度 n泵速。設(shè)定增壓器泵速為，則行程考慮到低壓水會(huì)被壓縮，同

58、時(shí)根據(jù)GB/T2349-1980，圓整行程s=80mm。此時(shí)增壓器泵速為(2)水液壓增壓器結(jié)構(gòu) 根據(jù)上述的要求，設(shè)計(jì)的雙作用液壓缸由兩個(gè)高壓缸和一個(gè)低壓缸組成。低壓水進(jìn)入低壓缸，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)高壓缸你的活塞桿運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榈蛪焊缀透邏焊谆钊麠U面積相差很大，由此進(jìn)行增壓。其中為了便于設(shè)計(jì)制造，低壓缸的活塞采用整體式，而增壓器在工作中只承受壓力，則活塞桿和活塞通過(guò)熱裝安裝在一起，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并安全可靠。在低壓缸中還要設(shè)計(jì)排氣塞排除進(jìn)入內(nèi)部的空氣。因?yàn)榭諝獾拇嬖跁?huì)影響液壓缸的工作情況。行程開(kāi)關(guān)觸桿用來(lái)控制增壓器換向元件。圖3-4 雙作用增壓器裝配圖本文設(shè)計(jì)的增壓器工作介質(zhì)全是水，所以對(duì)選用材料的耐腐蝕

59、性能要求很高。部分零件材料見(jiàn)表3-1。表3-1 零件選用材料零件材料零件材料活塞HT300高壓缸缸體45鋼活塞桿35鋼高壓缸缸蓋35鋼低壓缸缸體45鋼套筒黃銅缸蓋45鋼排氣塞閥桿3Cr13排氣塞閥座25鋼3.3本章小結(jié) 本章主要分析了高壓水射流類(lèi)型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和高壓水產(chǎn)生方式，自主設(shè)計(jì)了給予純水的液壓傳動(dòng)技術(shù)的高壓水射流表面改性系統(tǒng)，并大致確定了主要技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)選擇了水液壓柱塞泵和電磁換向閥的型號(hào)規(guī)格。最后還繪制了水液壓增壓器的裝配圖以及增壓器給零件材料的選擇。 第4章 高壓水射流制備316L不銹鋼納米層及Al離子注入其微觀結(jié)構(gòu)表征4.1引言材料的失效一般始于表面，如磨損、疲勞斷裂、腐蝕

60、等。為了提高材料的服役性能，人們對(duì)材料進(jìn)行表面改性。而納米材料由于它具有獨(dú)特的性能，人們將其與表面工程結(jié)合，提出了表面納米化概念19。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)金屬表面納米化的方法主要有表面機(jī)械研磨處理20、噴丸處理21、深軋?zhí)幚?2、超聲冷鍛23等等，但這些技術(shù)要么工藝非常復(fù)雜、效率低，要么處理后材料的表面都不夠光潔，降低了表面的粗糙度。因此，設(shè)計(jì)一種合理的表面納米化工藝是非常有必要的。我們?cè)噲D用新的方法處理316L不銹鋼，在一定水壓和時(shí)間對(duì)材料表面進(jìn)行掃射材料表面后，水壓使材料表面發(fā)生塑性變形而達(dá)到晶粒細(xì)化的目的。由于水是柔性的，對(duì)表面沒(méi)有過(guò)多的損傷。經(jīng)過(guò)處理后的材料的光潔度相比與其他的納米化處理方法非