CN109943842A - 材料表面高硬度耐磨复合层的加工方法和金属基复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了材料表面高硬度耐磨复合层的加工方法和金属基复合材料，所述方法包括：步骤S1：选定作为基体的金属材料和植入所述基体的硬质颗粒；步骤S2：对所述基体表面除锈处理并清洗干净；步骤S3：对所述基体表面进行预热处理；步骤S4：利用高压气体加速所述硬质颗粒，所述高压气体通过拉瓦尔Laval喷嘴产生超音速流，将所述硬质颗粒从所述Laval喷嘴的轴向送入所述超音速流获得高速粒子流；所述高速粒子流撞击所述基体表面并植入所述基体内部，在所述基体表面制得所述硬质颗粒分布均匀的高硬度耐磨复合材料层。本发明的加工方法高效、低成本、简单，能有效改善金属基材的耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及材料表面处理技术领域，特别是涉及材料表面高硬度耐磨复合层的加工方法和基于所述加工方法制得的金属基复合材料。
背景技术
随着科学技术的快速发展，人们对金属材料表面性能的提高，拓宽其功能，延长其使用寿命提出了更高的要求，特别是在高温、高压、高速、重载、腐蚀介质等条件下。大量金属结构件的失效破坏往往在于零部件的表面不能胜任苛刻的服役条件所致，因疲劳、摩擦、磨损等问题导致其在远未达到设计使用寿命前失效破坏，最终导致整套设备的停产，对工业生产造成重大经济损失。因此，必须对成型的金属材料进行表面改性处理，改善其表面性能，进一步提高其强度、耐摩擦、磨损和耐腐蚀性能，进而实现金属材料更高的应用价值。
发明内容
本发明提供材料表面高硬度耐磨复合层的加工方法和金属基复合材料，其加工方法高效、低成本、简单，能有效改善金属基材的耐磨性。
为了解决上述问题，本发明公开了材料表面高硬度耐磨复合层的加工方法，所述方法包括：
步骤S1：选定作为基体的金属材料和植入所述基体的硬质颗粒；
步骤S2：对所述基体表面除锈处理并清洗干净；
步骤S3：对所述基体表面进行预热处理；
步骤S4：利用高压气体加速所述硬质颗粒，所述高压气体通过拉瓦尔Laval喷嘴产生超音速流，将所述硬质颗粒从所述Laval喷嘴的轴向送入所述超音速流获得高速粒子流；所述高速粒子流撞击所述基体表面并植入所述基体内部，在所述基体表面制得所述硬质颗粒分布均匀的高硬度耐磨复合材料层。
可选的，所述金属材料为纯铝、镁合金、铝合金、钛合金或铜合金；
所述硬质颗粒的材料为不锈钢、碳化钨WC、钼Mo或钨W。
可选的，所述硬质颗粒的粒径大于5微米。
可选的，所述硬质颗粒硬度与所述基体硬度的比值大于1.5：1。
可选的，对所述基体表面进行预热处理的步骤包括：
采用高频、热传导或热辐射方法对所述基体表面进行预热处理。
可选的，所述基体表面预热处理温度小于所述基体材料的再结晶温度。
可选的，所述方法包括：
利用所述高压气体将所述硬质颗粒加速到大于200m/s的速度。
可选的，所述高压气体包括氮气、氩气或氦气中的至少一种。
可选的，所述高硬度耐磨复合材料层的厚度大于0.5mm。
为了解决上述问题，本发明还公开了金属基复合材料，所述金属基复合材料基于上述加工方法制得，所述金属基复合材料表面有残余压应力层。
与现有技术相比，本发明包括以下优点：
本发明使用高压气体加速硬质颗粒，获得高速粒子流，利用高速粒子流撞击所述基体表面，将硬质颗粒植入所述基体内部，以此制得所述硬质颗粒分布均匀的高硬度耐磨复合材料层，可显著提高金属材料的耐磨性；
本发明的加工方法仅4个步骤，整个加工流程较为简单，采用如空气，或如氮气、氩气或氦气中的至少一种等无污染气体进行加工，加工成本较低且非常环保。
附图说明
图1是本发明材料表面高硬度耐磨复合层的加工方法的步骤流程图；
图2是本发明金属基复合材料的示意图；
本发明的附图标记包括：
1-基体，2-硬质颗粒。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
目前，提高金属材料表面耐磨性的方法主要包括金属基复合材料(MMCs)和表面处理方法。
现有技术中MMCs制备方法有：粉末冶金复合法，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法加工成形法、铸造凝固成型法等。上述利用硬质颗粒掺入金属基体制造MMCs的加工工艺较为复杂和困难，需要耗费大量的时间和金钱，并且难以仅在基板表面获得MMCs涂层。
而常见的金属材料表面处理工艺，如微弧氧化、阳极氧化、化学转化膜处理、电镀、激光熔覆、气相沉积和热喷涂等，虽然金属材料的耐磨性得到改善，但薄膜的厚度或涂层的机械性能将限制其应用且这些方法存在一定环境污染。因此，亟需高效、低成本、简单且环保的表面强化方法来改善金属材料的表面性能，提高其耐磨性。
针对现有技术问题的分析，参照图1，本发明示出了材料表面高硬度耐磨复合层的加工方法的步骤流程图，所述方法具体可以包括以下步骤：
步骤S1：选定作为基体1的金属材料和植入所述基体1的硬质颗粒2；
本发明选定作为基体1的金属材料可以为纯铝、镁合金、铝合金、钛合金或铜合金；
所述硬质颗粒2的材料为不锈钢、碳化钨WC、钼Mo或钨W。
所述硬质颗粒2形状为球形、近球形、多角形或不规则形，所述基体1形状尺寸无限制。
所述硬质颗粒2的粒径大于5微米。所述硬质颗粒2硬度与所述基体1硬度的比值大于1.5：1。以此可保证硬质颗粒2植入所述基体1时的冲击力度和冲击效果。
步骤S2：对所述基体1表面除锈处理并清洗干净；
接下来，对所述基体1表面进行预处理，预处理最重要步骤是对所述基体1表面进行除锈处理。
所述除锈处理的步骤具体可以包括：
采用有机溶剂对所述基体1表面进行超声清洗；
其中，所述有机溶剂为丙酮或无水乙醇。
本发明的除锈处理方法将有机溶剂浸泡法和超声清洗有机结合，利用超声波振荡的机械能使有机溶剂中产生无数的小气泡，这些小气泡在形成、生长和闭合时产生强大的机械力，使工件表面的氧化皮、锈蚀污垢迅速脱离，从而加速除锈过程，提高基体1的除锈速度与效果。
步骤S3：对所述基体1表面进行预热处理；
在本发明一可选实施例中，示出了对所述基体1表面进行预热处理的步骤具体可以包括：
采用高频、热传导或热辐射方法对所述基体1表面进行预热处理。
优选的，所述热辐射方法的热源为激光或红外。
本发明通过预热处理，可使得基体1表面软化，更便于后续硬质颗粒2的植入。具体实现时，所述基体表面预热处理温度小于所述基体材料的再结晶温度。预热处理和硬质颗粒2的粒子植入可几乎同时进行，即注入前基体1已经进行预热，粒子植入进行时基体1预热仍在进行。
步骤S4：利用高压气体加速所述硬质颗粒2，所述高压气体通过拉瓦尔Laval喷嘴产生超音速流，将所述硬质颗粒2从所述Laval喷嘴的轴向送入所述超音速流获得高速粒子流；所述高速粒子流撞击所述基体1表面并植入所述基体1内部，在所述基体1表面制得所述硬质颗粒2分布均匀的高硬度耐磨复合材料层。
将基体1预热处理后，将硬质颗粒2与基体1复合前，首先可利用所述高压气体将所述硬质颗粒2加速到大于200m/s的速度。本发明将粒子加速后基于动能高速植入到基体1中(类似子弹)，在60*60*20mm基体1表面植入硬质颗粒2，整个过程只需2秒，而基体1可保持固态不需要熔化处理。
在实际加工时，上述高压气体可采用空气，作为本发明的优选实施例，所述高压气体包括氮气、氩气或氦气中的至少一种。氮气、氩气或氦气都属于无色无臭的惰性气体、化学性质不活泼，通常状态下不与其它元素或化合物结合，不易在加工过程中产生化学反应，有利于降低制造难度。
接着，喷嘴在基体1表面均速扫过，高速粒子流撞击所述基体1表面，这样粒子就可以均匀的分布在基体1表面。硬质颗粒2的高速撞击使得金属基材表面发生严重塑性变形，位错交叉滑移、位错爬升和新晶粒长大引起塑性变形过程中位错密度和位错增值，使得基材表面硬度大幅提高，形成硬质颗粒2分布均匀的高硬度耐磨复合材料层，硬度的提高能够明显改善金属材料的耐磨性，并且晶粒细化使得金属材料力学性能得到提高。
在本发明一优选实施例中，示出了所述硬质颗粒2的植入深度大于0.5mm，所获得的所述高硬度耐磨复合材料层的厚度大于0.5mm。
综上，相比传统的MMCs加工方法，本发明创造性地使用高压气体加速硬质颗粒2，获得高速粒子流，利用高速粒子流撞击所述基体1表面，将硬质颗粒2植入所述基体1内部，以此制得所述硬质颗粒2分布均匀的高硬度耐磨复合材料层，可显著提高金属材料的耐磨性。本发明的加工方法仅4个步骤，整个加工流程较为简单，采用如空气，或如氮气、氩气或氦气中的至少一种等无污染气体进行加工，加工成本较低且非常环保。
另外，参照图2，本发明还示出了金属基复合材料，所述金属基复合材料基于图1的一种材料表面高硬度耐磨复合层的加工方法制得，所述金属基复合材料表面有残余压应力层。所述残余压应力层的厚度大于0.5mm。
本发明制得的复合材料有效结合喷丸强化和金属基复合材料强化效应，使得金属基材表面发生严重塑性变形，复合材料及基体1显微硬度大幅提高，材料表面分布较高幅值的残余压应力层，所述残余压应力层的厚度大于0.5mm，该残余压应力层有效提高了金属基复合材料的抗粘着磨损和抗疲劳磨损。
接下来，为了进一步验证本发明的可实施性，采用实施例1～6对本发明的技术方案进行阐述。
实施例1：
步骤1：选取纯铝材料作为基体1，植入所述基体1的硬质颗粒2可选用：
或粒径为5～70微米的碳化钨WC；
或粒径为5～60微米的钨W颗粒；
步骤2：实验前用无水乙醇对纯铝基体1进行超声清洗处理。
步骤3：实验前以及实验中用电加热器件对基体1进行预热处理，预热温度为100℃。
步骤4：选用氮气作为加速气体，其中加速气体压力为2MPa，气体温度为100℃。
(1)当选用的硬质颗粒2为碳化钨WC时，加工方法可为：
以高压氮气作为加速气体对WC颗粒进行加速，高压氮气通过Laval喷嘴产生超音速流，将WC颗粒从所述喷嘴的轴向送入所述超音速流获得WC高速粒子流；WC高速粒子流撞击所述纯铝基体1表面，植入纯铝基体1内部，获得厚度均匀的WC/Al复合材料。
采用TESCAN扫描电子显微镜(SEM)表征复合涂层微观形貌，发现WC/Al复合材料层厚度约为0.5mm。采用日本KYOWA生产的摩擦磨损试验机对WC/Al复合材料层的磨损性能进行测试，结果发现WC/Al复合材料的磨损轻微，只有少量凸出的WC粒子发生轻微磨损；而未处理的纯铝基体1磨损十分严重，基体1发生了强烈的塑性变形，磨损面上出现大量犁沟和严重的起皱蜷曲现象。表明硬质WC粒子的植入有效提高纯铝基体1的耐磨性。
(2)当选用的硬质颗粒2为钨W颗粒时，加工方法可为：
以高压氮气作为加速气体对钨W颗粒进行加速，高压氮气通过Laval喷嘴产生超音速流，将钨W颗粒从所述喷嘴的轴向送入所述超音速流获得钨高速粒子流；钨高速粒子流撞击所述纯铝基体1表面，植入纯铝基体1内部，获得厚度均匀的W/Al复合材料。
采用TESCAN扫描电子显微镜(SEM)表征W/Al复合材料微观形貌，发现W/Al复合材料层厚度约为0.7mm；采用HXD-1000TMC/LCD全自动显微硬度测试***测试W/Al复合材料的显微硬度，发现W/Al复合材料层硬度大于300HV。采用日本KYOWA生产的摩擦磨损试验机对W/Al复合材料层的磨损性能进行测试，结果发现W/Al复合材料的磨损轻微，只有少量凸出的钨粒子发生磨损；而未处理的纯铝基体1磨损十分严重，基体1发生了强烈的塑性变形，磨损面上出现犁沟、片状剥落、撕脱迹象。表明硬质钨粒子的植入可有效提高纯铝基体1的耐磨性。
实施例2：
步骤1：选取纯铝材料作为基体1，植入所述基体1的硬质颗粒2可选用：
粒径为10～50微米的球形316L不锈钢；
或粒径为5～70微米的碳化钨WC；
或粒径为5～60微米的钼Mo；
步骤2：实验前用无水乙醇对纯铝基体1进行超声清洗处理。
步骤3：实验前以及实验中用激光对基体1进行预热处理，激光在基体上的加热斑点有效面积为3mm2，能量密度为300mW/cm2，粒子注入金属材料表面区域与激光加热斑点重叠，移动速度与Laval喷嘴移动速度相同。
步骤4：选用氮气作为加速气体，其中加速气体压力为3MPa，气体温度为500℃。
(1)当选用的硬质颗粒2为不锈钢时，加工方法可为：
以高压氮气作为加速气体对316L不锈钢颗粒进行加速，高压氮气通过Laval喷嘴产生超音速流，将316L不锈钢颗粒从所述喷嘴的轴向送入所述超音速流获得不锈钢高速粒子流；不锈钢高速粒子流撞击所述纯铝基体1表面，植入纯铝基体1内部，获得厚度均匀的316L/Al复合材料。
采用TESCAN扫描电子显微镜(SEM)表征316L/Al复合材料微观形貌，发现316L/Al复合材料层厚度约为1.1mm；采用HXD-1000TMC/LCD全自动显微硬度测试***测试316L/Al复合材料的显微硬度，发现316L/Al复合材料层硬度大于450HV。采用日本KYOWA生产的摩擦磨损试验机对316L/Al复合材料层的磨损性能进行测试，结果发现316L/Al复合材料的磨损轻微，只有少量凸出的不锈钢粒子发生磨损，磨痕很窄深度仅为4微米，几乎可以忽略不计；而未处理的纯铝基体1磨损十分严重，基体1发生了强烈的塑性变形，磨损面上出现大量犁沟和严重的起皱蜷曲现象，其中磨痕宽度为1604微米，磨痕深度为84微米。表明硬质不锈钢粒子的植入可有效提高纯铝基体1的耐磨性。
(2)当选用的硬质颗粒2为碳化钨WC时，加工方法可为：
以高压氮气作为加速气体对WC颗粒进行加速，高压氮气通过Laval喷嘴产生超音速流，将WC颗粒从所述喷嘴的轴向送入所述超音速流获得WC高速粒子流；WC高速粒子流撞击所述纯铝基体1表面，植入纯铝基体1内部，获得厚度均匀的WC/Al复合材料。
采用TESCAN扫描电子显微镜(SEM)表征复合涂层微观形貌，发现WC/Al复合材料层厚度约为1.3mm。采用日本KYOWA生产的摩擦磨损试验机对Mo/Al复合材料层的磨损性能进行测试，结果发现WC/Al复合材料的磨损轻微，只有少量凸出的WC粒子发生轻微磨损，磨痕深度宽度几乎可以忽略不计；而未处理的纯铝基体1磨损十分严重，基体1发生了强烈的塑性变形，磨损面上出现大量犁沟和严重的起皱蜷曲现象，其中磨痕宽度为1604微米，磨痕深度为84微米。表明硬质WC粒子的植入有效提高纯铝基体1的耐磨性。
(3)当选用的硬质颗粒2为钼Mo时，加工方法可为：
以高压氮气作为加速气体对Mo颗粒进行加速，高压氮气通过Laval喷嘴产生超音速流，将所述Mo颗粒从所述喷嘴的轴向送入所述超音速流获得Mo高速粒子流；Mo高速粒子流撞击所述纯铝基体1表面，植入纯铝基体1内部，获得厚度均匀的Mo/Al复合材料。
采用TESCAN扫描电子显微镜(SEM)表征Mo/Al复合材料微观形貌，发现Mo/Al复合材料层厚度约为1.2mm。采用日本KYOWA生产的摩擦磨损试验机对Mo/Al复合材料层的磨损性能进行测试，结果发现Mo/Al复合材料的磨损轻微，只有少量凸出的Mo粒子发生磨损，磨痕深度宽度几乎可以忽略不计；而未处理的纯铝基体1磨损十分严重，基体1发生了强烈的塑性变形，磨损面上出现大量犁沟和严重的起皱蜷曲现象，其中磨痕宽度为1604微米，磨痕深度为84微米。表明硬质Mo颗粒的植入可有效提高纯铝基体1的耐磨性。
实施例3：
步骤1：选取镁合金材料作为基体1，植入所述基体1的硬质颗粒2可选用：
粒径为10～50微米的球形316L不锈钢；
或粒径为5～70微米的碳化钨WC；
或粒径为5～60微米的钼Mo；
步骤2：实验前用丙酮溶剂对镁合金基体1进行超声清洗处理。
步骤3：实验前以及实验中用电加热器件对基体1进行预热处理，预热温度为300℃。。
步骤4：选用氮气作为加速气体，其中加速气体压力为3MPa，温度为500℃
(1)当选用的硬质颗粒2为不锈钢时，加工方法可为：
以高压氮气作为加速气体对316L不锈钢颗粒进行加速，高压氮气通过Laval喷嘴产生超音速流，将316L不锈钢颗粒从所述喷嘴的轴向送入所述超音速流获得不锈钢高速粒子流；不锈钢高速粒子流撞击所述镁合金基体1表面，植入镁合金基体1内部，获得厚度均匀的316L/Mg复合材料。
采用TESCAN扫描电子显微镜(SEM)表征316L/Mg复合材料微观形貌，发现316L/Mg复合材料层厚度约为1.0mm；采用HXD-1000TMC/LCD全自动显微硬度测试***测试316L/Mg复合材料的显微硬度，发现316L/Mg复合材料层硬度大于450HV。采用日本KYOWA生产的摩擦磨损试验机对316L/Mg复合材料层的磨损性能进行测试，结果发现316L/Mg复合材料的磨损轻微，只有少量凸出的不锈钢粒子发生磨损，磨痕很窄深度仅为10微米，几乎可以忽略不计；而未处理的镁合金基体1磨损十分严重，基体1发生了强烈的塑性变形，产生的犁沟宽而深，且大量磨损碎屑粘附于磨痕表面，其中磨痕宽度为1720微米，磨痕深度为77微米。表明硬质不锈钢粒子的植入可有效提高镁合金基体1的耐磨性。
(2)当选用的硬质颗粒2为碳化钨WC时，加工方法可为：
以高压氮气作为加速气体对WC颗粒进行加速，高压氮气通过Laval喷嘴产生超音速流，将WC颗粒从所述喷嘴的轴向送入所述超音速流获得WC高速粒子流；WC高速粒子流撞击所述镁合金基体1表面，植入镁合金基体1内部，获得厚度均匀的WC/Mg复合材料。
采用TESCAN扫描电子显微镜(SEM)表征复合涂层微观形貌，发现WC/Mg复合材料层厚度约为1.2mm。采用日本KYOWA生产的摩擦磨损试验机对WC/Mg复合材料层的磨损性能进行测试，结果发现WC/Mg复合材料的磨损轻微，只有少量凸出的WC粒子发生轻微磨损，磨痕深度宽度几乎可以忽略不计；而未处理的镁合金基体1磨损十分严重，基体1发生了强烈的塑性变形，产生的犁沟宽而深，且大量磨损碎屑粘附于磨痕表面，其中磨痕宽度为1720微米，磨痕深度为77微米。表明硬质WC粒子的植入有效提高镁合金基体1的耐磨性。
(3)当选用的硬质颗粒2为钼Mo时，加工方法可为：
以高压氮气作为加速气体对Mo颗粒进行加速，高压氮气通过Laval喷嘴产生超音速流，将所述Mo颗粒从所述喷嘴的轴向送入所述超音速流获得Mo高速粒子流；Mo高速粒子流撞击所述镁合金基体1表面，植入镁合金基体1内部，获得厚度均匀的Mo/Mg复合材料。
采用TESCAN扫描电子显微镜(SEM)表征Mo/Mg复合材料微观形貌，发现Mo/Mg复合材料层厚度约为1.1mm。采用日本KYOWA生产的摩擦磨损试验机对Mo/Mg复合材料层的磨损性能进行测试，结果发现Mo/Mg复合材料的磨损轻微，只有少量凸出的Mo粒子发生磨损，磨痕深度宽度几乎可以忽略不计；而未处理的镁合金基体1磨损十分严重，基体1发生了强烈的塑性变形，产生的犁沟宽而深，且大量磨损碎屑粘附于磨痕表面。表明硬质Mo颗粒的植入可有效提高镁合金基体1的耐磨性。
实施例4：
步骤1：选取铝合金材料作为基体1，植入所述基体1的硬质颗粒2可选用：
粒径为10～50微米的球形316L不锈钢；
或粒径为5～70微米的碳化钨WC；
或粒径为5～60微米的钨W颗粒。
步骤2：实验前用无水乙醇对铝合金基体1进行超声清洗处理。
步骤3：实验前以及实验中用激光对基体1进行预热处理,激光在基体上的加热斑点有效面积为3mm2，能量密度为300mW/cm2，粒子注入金属材料表面区域与激光加热斑点重叠，移动速度与Laval喷嘴移动速度相同。
步骤4：选用氮气作为加速气体，其中加速气体压力为3.5MPa，温度为500℃。
(1)当选用的硬质颗粒2为不锈钢时，加工方法可为：
以高压氮气作为加速气体对316L不锈钢颗粒进行加速，高压氮气通过Laval喷嘴产生超音速流，将316L不锈钢颗粒从所述喷嘴的轴向送入所述超音速流获得不锈钢高速粒子流；不锈钢高速粒子流撞击所述铝合金基体1表面，植入铝合金基体1内部，获得厚度均匀的316L/Al复合材料。
采用TESCAN扫描电子显微镜(SEM)表征316L/Al复合材料微观形貌，发现316L/Al复合材料层厚度约为0.8mm；采用HXD-1000TMC/LCD全自动显微硬度测试***测试316L/Al复合材料的显微硬度，发现316L/Al复合材料层硬度大于450HV。采用日本KYOWA生产的摩擦磨损试验机对316L/Al复合材料层的磨损性能进行测试，结果发现316L/Al复合材料的磨损轻微，只有少量凸出的不锈钢粒子发生磨损；而未处理的铝合金基体1磨损十分严重，基体1发生了强烈的塑性变形，磨损面上出现犁沟、片状剥落、撕脱迹象。表明硬质不锈钢粒子的植入可有效提高铝合金基体1的耐磨性。
(2)当选用的硬质颗粒2为碳化钨WC时，加工方法可为：
以高压氮气作为加速气体对WC颗粒进行加速，高压氮气通过Laval喷嘴产生超音速流，将WC颗粒从所述喷嘴的轴向送入所述超音速流获得WC高速粒子流；WC高速粒子流撞击所述铝合金基体1表面，植入铝合金基体1内部，获得厚度均匀的WC/Al复合材料。
采用TESCAN扫描电子显微镜(SEM)表征复合涂层微观形貌，发现WC/Al复合材料层厚度约为1.0mm；采用日本KYOWA生产的摩擦磨损试验机对WC/Al复合材料层的磨损性能进行测试，结果发现WC/Al复合材料的磨损轻微，只有少量凸出的WC粒子发生轻微磨损，；而未处理的铝合金基体1磨损十分严重，基体1发生了强烈的塑性变形，磨损面上出现犁沟、片状剥落、撕脱迹象。表明硬质WC粒子的植入有效提高铝合金基体1的耐磨性。
(3)当选用的硬质颗粒2为钨W颗粒时，加工方法可为：
以高压氮气作为加速气体对W颗粒进行加速，高压氮气通过Laval喷嘴产生超音速流，将所述W颗粒从所述喷嘴的轴向送入所述超音速流获得W高速粒子流；W高速粒子流撞击所述铝合金基体1表面，植入铝合金基体1内部，获得厚度均匀的W/Al复合材料。
采用TESCAN扫描电子显微镜(SEM)表征W/Al复合材料微观形貌，发现W/Al复合材料层厚度约为1.1mm。采用日本KYOWA生产的摩擦磨损试验机对复合涂层的磨损性能进行测试，结果发现W/Al复合材料的磨损轻微，只有少量凸出的W粒子发生磨损，磨痕深度宽度几乎可以忽略不计；而未处理的铝合金基体1磨损十分严重，基体1发生了强烈的塑性变形，磨损面上出现犁沟、片状剥落、撕脱迹象。表明硬质W粒子的植入可有效提高铝合金基体1的耐磨性。
实施例5：
步骤1：选取铜合金材料作为基体1，植入所述基体1的硬质颗粒2可选用：
粒径为10～50微米的球形马氏体不锈钢；
步骤2：实验前用无水乙醇对铜合金基体1进行超声清洗处理。
步骤3：实验前以及实验中用表面高频加热激光方式对基体1进行预热处理，预热出来温度为400℃。
步骤4：选用氮气作为加速气体，其中加速气体压力为3MPa，温度为600℃。
(1)当选用的硬质颗粒2为球形马氏体不锈钢时，加工方法可为：
以高压氮气作为加速气体对马氏体不锈钢颗粒进行加速，高压氮气通过Laval喷嘴产生超音速流，将不锈钢颗粒从所述喷嘴的轴向送入所述超音速流获得不锈钢高速粒子流；不锈钢高速粒子流撞击所述铜合金基体1表面，植入铜合金基体1内部，获得厚度均匀的表层复合材料。
采用TESCAN扫描电子显微镜(SEM)表征复合材料微观形貌，发现不锈钢/Cu复合材料层厚度约为0.6mm；采用日本KYOWA生产的摩擦磨损试验机对不锈钢/Cu复合材料层的磨损性能进行测试，结果发现复合材料的磨损轻微，只有少量凸出的不锈钢粒子发生磨损；而未处理的铜合金基体1磨损十分严重，基体1发生了强烈的塑性变形，磨损面上犁沟深而粗,磨损处高低不平,局部剥落严重。表明硬质不锈钢粒子的植入可有效提高铜合金基体1的耐磨性。
实施例6：
步骤1：选取钛合金材料作为基体1，植入所述基体1的硬质颗粒2可选用：
粒径为5～60微米的钨W颗粒。
步骤2：实验前用无水乙醇对钛合金基体1进行超声清洗处理。
步骤3：实验前以及实验中用激光对基体1进行预热处理，激光在基体上的加热斑点有效面积为5mm2，能量密度为500mW/cm2，粒子注入金属材料表面区域与激光加热斑点重叠，移动速度与Laval喷嘴移动速度相同。。
步骤4：选用氮气作为加速气体，其中加速气体压力为3.5MPa，温度为500℃。
利用粒径为5～60微米的钨W颗粒植入所述钛合金基体1，加工方法可为：
以高压氮气作为加速气体对W颗粒进行加速，高压氮气通过Laval喷嘴产生超音速流，将所述W颗粒从所述喷嘴的轴向送入所述超音速流获得W高速粒子流；W高速粒子流撞击所述钛合金基体1表面，植入钛合金基体1内部，获得厚度均匀的W/Ti复合材料。
采用TESCAN扫描电子显微镜(SEM)表征W/Ti复合材料微观形貌，发现W/Ti复合材料层厚度约为0.5mm。采用日本KYOWA生产的摩擦磨损试验机对复合涂层的磨损性能进行测试，结果发现W/Ti复合材料的磨损轻微，只有少量凸出的W粒子发生磨损，磨痕深度宽度几乎可以忽略不计；而未处理的钛合金基体1磨损严重，磨损面上产生于磨损运动方向相同的犁沟，部分犁沟周围材料***，产生了比较明显的塑性变形。表明硬质W粒子的植入可有效提高钛合金基体1的耐磨性。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的材料表面高硬度耐磨复合层的加工方法和金属基复合材料，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.材料表面高硬度耐磨复合层的加工方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：选定作为基体的金属材料和植入所述基体的硬质颗粒；
步骤S2：对所述基体表面除锈处理并清洗干净；
步骤S3：对所述基体表面进行预热处理；
步骤S4：利用高压气体加速所述硬质颗粒，所述高压气体通过拉瓦尔Laval喷嘴产生超音速流，将所述硬质颗粒从所述Laval喷嘴的轴向送入所述超音速流获得高速粒子流；所述高速粒子流撞击所述基体表面并植入所述基体内部，在所述基体表面制得所述硬质颗粒分布均匀的高硬度耐磨复合材料层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述金属材料为纯铝、镁合金、铝合金、钛合金或铜合金；
所述硬质颗粒的材料为不锈钢、碳化钨WC、钼Mo或钨W。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述硬质颗粒的粒径大于5微米。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬质颗粒硬度与所述基体硬度的比值大于1.5：1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述基体表面进行预热处理的步骤包括：
采用高频、热传导或热辐射方法对所述基体表面进行预热处理。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基体表面预热处理温度小于所述基体材料的再结晶温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
利用所述高压气体将所述硬质颗粒加速到大于200m/s的速度。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高压气体包括氮气、氩气或氦气中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高硬度耐磨复合材料层的厚度大于0.5mm。
10.金属基复合材料，其特征在于，所述金属基复合材料基于权利要求1～9所述的任意一项方法制得，所述金属基复合材料表面有残余压应力层。
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