金属材料表面纳米化研究与进展

大多数金属材料的失效都是从其表面开始的,进而影响整个材料的整体性能。研究表明,在金属材料表面制备纳米晶,实现表面纳米化,可以提升材料的表面性能,延长其使用寿命。金属材料表面纳米化是指利用反复剧烈塑性变形让表层粗晶粒逐步得到细化,材料中形成晶粒沿厚度方向呈梯度变化的纳米结构层,分别为表面无织构纳米晶层、亚微米细晶层、粗晶变形层和基体层,这种独特的梯度纳米结构对金属材料表面性能的大幅度提升效果显著。根据国内外表面纳米化的研究成果,首先对表面涂层或沉积、表面自纳米化以及混合纳米化3种金属表面纳米化方法进行了简要概述,阐述了各自优缺点,总结了表面自纳米化技术的优势,在此基础上重点分析了位错和孪晶在金属材料表面自纳米化过程中所起的关键作用,提出了金属材料表面自纳米化机制与材料结构、层错能大小有着密不可分的联系,对金属材料表面自纳米化机制的研究现状进行了归纳;阐明了表面纳米化技术在金属材料性能提升上的巨大优势,主要包括对硬度、强度、腐蚀、耐磨、疲劳等性能的改善。最后总结了现有表面强化工艺需要克服的关键技术,对未来的研究工作进行了展望,并提出将表面纳米化技术与电镀、气相沉积、粘涂、喷涂、化学热处理等...     

钛合金表面纳米化强化研究进展

钛及钛合金因具有密度小、比强度高、耐腐蚀性能好等优点,在航空航天领域得到了广泛应用.表面纳米化是在材料表面形成一层由纳米级颗粒或晶粒组成的强化层,从而改善金属材料的表面性能,具有普适性好、工艺简单等独特优势.对钛及钛合金进行表面自纳米化处理后,其表层产生了剧烈的塑性变形,在材料中形成了独特的梯度纳米结构层,分别为剧烈变形层、亚微米细晶层、粗晶应变层和基体层,表层组织结构的改变也会导致钛合金表层性能产生变化.首先,对表面涂层或沉积、表面自纳米化以及混合纳米化3种金属表面纳米化方法进行了简要概述,分析了各自优缺点以及目前存在的问题.其次,着重论述了孪晶和位错在钛合金自纳米化过程中所起的关键作用,探讨了α、α+β、β3种类型钛合金纳米化机理存在的差异,对钛合金表面纳米化机理的研究现状进行了归纳总结,在此基础上,重点介绍了表面纳米化处理对钛合金表层性能的影响,主要包括近年来关于硬度与残余应力、疲劳、腐蚀、磨损、扩散性能的影响及研究现状,并对其强化机制进行了分析.最后,归纳总结了现有钛合金表面纳米化研究存在的不足,对今后的研究工作进行了展望,并提出应将表面纳米化技术与数字化仿真技术、渗氮等工艺结合,发展数字化、复合强化技术,以期为表面纳米化技术在钛合金领域的发展研究提供有价值的参考.     

自纳米化结构金属材料摩擦磨损研究现状

从自纳米化结构金属材料的形成机理及制备方法入手,阐述了表面自纳米化技术的优势,包括工艺简单、无增材处理、纳米结构层呈梯度变化且与基体无明显界限、适用性强等。在此基础上,重点综述了国内外学者对于自纳米化结构金属材料摩擦磨损的研究现状,包括钢铁合金、镁合金、铝合金、钛合金以及其他金属。同时分析出自纳米化结构金属材料摩擦磨损研究存在的问题,包括制备工艺参数的合理选择、高温钛合金表面自纳米化摩擦磨损性能的研究、腐蚀磨损特性的研究等。针对进一步拓展自纳米化结构金属材料的工业应用,提出了该领域未来可行的研究方向,以期为自纳米化结构材料研究提供有价值的参考。     

金属材料表面纳米化研究现状

从制备技术、表面纳米化机理、纳米晶组织和使役性能等方面,综述了金属材料表面纳米化的研究现状。     

超声冲击强化焊接接头及金属表面强化研究进展

工程机械零件及焊接结构在服役过程中常常因为表面发生磨损、腐蚀和疲劳断裂而失效,而失效形式与其表面加工质量、应力分布状态和表面性能等因素密切相关。超声冲击是一种利用超声波振动驱动冲击针高速撞击工件表面,使工件表面产生塑性变形和残余压应力的表面强化技术,具有效率高、加工精度高以及加工范围广等优势。概述了超声冲击处理技术在焊接接头处理、金属材料表面强化、激光熔覆–超声冲击复合处理以及超声冲击–化学处理复合强化等方面的研究现状及进展。在此基础上,重点综述了超声冲击处理Al、Mg合金及合金钢焊接接头残余应力、力学性能及抗疲劳性能的变化,归纳了传统金属材料以及新兴高熵合金表面超声冲击处理后的组织、微观亚结构及性能变化,总结了超声冲击对激光改性层组织性能的影响规律以及超声冲击预处理对离子渗氮/渗硫层形成及其性能的影响等。超声冲击处理明显降低了焊接接头的残余拉应力,有效提高其疲劳强度,使金属和涂层表面产生纳米化组织,显著提升材料的表面硬度、耐磨性能、耐蚀性能以及耐高温性能,从而延长工程构件的服役寿命。显然,超声冲击处理技术与表面涂层技术相结合,为工程零部件表面强化提供了新的思路。对于表面涂层,超声冲击...     

高性能金属材料高能电脉冲处理工艺研究进展

电脉冲处理是一种周期式高能量非平衡输入方式的新型热处理方法,本文重点介绍了电脉冲处理工艺对金属材料再结晶、相变和非晶晶化等影响。从材料热力学和动力学的角度出发,阐述了电脉冲降低材料热力学能垒和加速原子扩散的作用机制,揭示了电脉冲诱发快速再结晶、相变和非晶纳米晶化的机理。电脉冲处理技术有利于金属材料组织结构优化控制和性能提升,在高性能金属材料制备与加工行业中具有广阔的应用前景。     

表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的研究进展

多数工程结构材料的失效都是从表面的薄弱环节开始发生或者传导,从而引起材料的性能下降,使用寿命缩短.受生物材料的梯度结构启发,近年来开发了多种表面纳米化技术,成功在工程材料表面制备了晶粒尺寸从表层纳米尺度连续变化到内部宏观尺度的梯度纳米结构,强化和保护了材料表面,有效地解决了上述问题.结合国内外表面纳米化的研究结果,综述了金属材料梯度纳米材料的研究进展.首先,介绍了梯度塑性变形、物理化学沉积等表面纳米化加工技术的最新进展.其次,对梯度等轴纳米晶、梯度纳米层片和梯度纳米孪晶等多种表面纳米化材料的微观结构进行了归纳,并对最新发展的梯度纳米结构材料表层晶粒的晶体学取向等微观信息表征方法进行了系统地阐述.随后,总结了梯度纳米结构对工程材料的表面强度、塑性、强-塑匹配、加工硬化、疲劳、耐磨、腐蚀和热稳定性等性能的影响.最后展望了表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的发展趋势及工程应用所面临的挑战.     

金属材料表面自纳米化研究进展

介绍了表面自纳米化技术,综述了国内外金属材料表面自纳米化的研究现状.金属材料的表面自纳米化处理可以改善其综合机械性能,并能不同程度地影响其耐蚀性、耐磨性以及稳定性.最后提出了表面自纳米化技术研究需要解决的问题.     

表面纳米化对304不锈钢渗碳层组织和性能的影响

利用表面机械研磨(SMAT)对304不锈钢进行表面自纳米化处理,并对其纳米化表面进行渗碳处理。利用光学显微镜、X-射线衍射仪、磨料磨损试验机和显微硬度仪对处理后的不锈钢表面组织和性能进行研究。结果表明:经SMAT处理并渗碳后,渗碳层晶粒细化,组织发生奥氏体向马氏体转变,显著提高了材料的力学性能;表面机械研磨处理后的材料的渗碳层厚度明显高于直接渗碳的粗晶材料的渗碳层厚度,渗碳层组织中主要碳化物为Cr7C3和Cr23C6,显微硬度也有明显提高;经过表面自纳米化和渗碳复合处理,材料的耐磨性得到较大提升。     

纳米填料改性聚苯硫醚及其纤维研究进展

聚苯硫醚（PPS）是一种耐高温、耐化学腐蚀、阻燃的高性能材料,其纤维制品可广泛应用于高温过滤、化学防护等领域。通过纳米填料熔融复合技术,可显著提高PPS材料及其纤维的综合性能。详细介绍了国内外纳米填料对PPS及其纤维紫外光稳定性、热氧稳定性、结晶和力学性能、以及耐磨性的改性研究,并进一步分析了纳米粒子对PPS的改性机理。详述了目前PPS纳米复合改性研究的不足,提出相应的解决方案。指出了纳米改性研究首先需要提高PPS纤维的紫外光稳定性、耐热氧化性能和最高使用温度,以扩展PPS纤维的应用范围。综合分析表明,PPS纤维的纳米改性研究仍处于起步阶段,需深入对不同形貌、尺寸纳米填料复合改性及纳米复合纤维成形机理的研究,并拓宽其研究范围。     

离子注渗复合表面改性技术研究进展

综合国内外研究现状,目前针对离子注渗复合表面改性技术已开展了大量的研究工作,然而还缺少对其进行系统介绍的研究报道。首先,对离子渗技术（离子渗氮、离子渗碳和离子渗硫）、离子注入技术（氮离子注入、碳离子注入和金属离子注入）和离子注渗复合技术的原理进行了介绍。其次,对上述表面改性技术的研究进展进行了综述和总结。最后,针对目前离子注渗复合技术的不足之处,从改善硬件设备、强化作用机理、系统研究复合处理工艺和促进其工业化应用等方面进行解决,提出要充分利用注渗和镀膜技术复合的优势来实现材料结构功能一体化,推动多相复合强化技术的研究与开发,为工业化应用奠定理论基础。     

阴极等离子体电解沉积技术研究进展

阴极等离子体电解沉积(CPED)技术是一种新型材料表面改性技术,在腐蚀防护、高温抗氧化和催化等诸多领域具有潜在应用前景。首先简要介绍了CPED技术的发展历程,包括推进该技术发展的一些重要事件。概述了CPED放电机理的相关研究,包括在其不同发展阶段提出的单一气膜层击穿理论和气-固双电介质层理论模型。在此基础上对CPED工艺及涂层制备的改性调控方法进行了系统性的总结,包括通用性的气膜层改性和特异性的涂层调控改性,并提出了其中的问题和不足。重点综述了近年来CPED技术沉积涂层的研究进展,包括CPED技术制备金属涂层、合金涂层、合金基复合涂层、陶瓷涂层、改性陶瓷涂层和碳材料等方面的研究,着重总结了CPED制备金属和合金基涂层及改性陶瓷涂层的结构与性能。最后,针对CPED技术的研究前景、发展方向和待解决问题进行了展望,包括其潜在的应用领域、工艺与机制研究、可制备涂层体系以及环境友好性的不足和相应的改进研究方向。CPED技术应用潜力巨大,仍需开展更加系统、深入和全面的研究工作,以进一步拓展其可制备涂层体系和应用领域。     

金属表面减摩方法研究综述

磨损失效是金属材料主要的失效形式之一,因此减少材料表面磨损一直是金属改性的研究重点。基于粘着理论、润滑相结构、润滑膜行为等不同角度,对如何提升金属材料的减摩性能进行解读,并根据理化性质的改变,综述2类表面减摩方向:化学减摩、物理减摩。化学减摩由自润滑涂层展开,阐述自润滑体系的分类,从粘着摩擦力探究润滑膜的减摩机制。介绍外部直接添加与原位合成的减摩方法。举例了4种自润滑涂层的制备工艺:喷涂、气相沉积、微弧氧化、高能束熔覆。物理减摩中的梯度纳米和表面织构是当前的研究热点。通过探究脆性摩擦层与应力应变的变化,研究梯度纳米结构的变形机制,介绍了机械研磨、激光冲击等制备技术。表面织构在不同摩擦状态下,拥有储油、集屑、流体动压润滑的功能,常见的制备方法有激光刻蚀、化学刻蚀等。最后对金属表面减摩的未来发展进行展望:从多尺度追溯起源,完善摩擦理论;利用原位合成、微观结构活动探究如何延长减摩时间;展开多元体系、工艺的优化,向经济实用的方向发展。     

生物体用金属材料

随着科学技术的发展,生物体用金属材料也得到迅猛发展,许多先进的生物体用金属材料及通过各种表面处理技术对金属材料表面改性及应用相继被研究、开发,其研究及应用成果普遍受到医学界及企业界的重视。本文在综述生物体用金属材料的发展、性能及应用的基础上,重点论述了最新表面处理技术在生物体用金属材料的表面上的应用,用以制备表面性能优异的仿生生物材料。     

超声滚压表面复合强化研究综述

超声滚压技术通过位错的湮灭和产生将晶粒细化至纳米级,提高了材料硬度和耐磨损等性能。探讨了如何进一步提升材料的使役性能,通过将超声滚压与其他处理技术相结合形成复合加工工艺,克服单一超声滚压处理工艺的局限性,如超过塑性变形的极限或过度强化带来的起皱、开裂和压溃等。超声滚压表面复合强化技术作为特种复合加工工艺,在零件高性能表面制造中具有明显优势。根据超声滚压在复合工艺中的位置顺序,分别介绍了超声滚压前端强化、同步强化和后续强化3种加工类型。超声滚压前端复合加工技术主要包括超声滚压复合物理气相沉积技术和超声滚压复合离子注入技术等。在超声滚压同步强化方面,讨论了声电耦合和温度场辅助超声滚压对变形层厚度和摩擦磨损性能的影响。在超声滚压后续强化方面,介绍了涂层复合超声滚压技术,讨论了它对涂层裂纹、孔隙以及表面粗糙度的影响。此外,分析了超声滚压对复合强化过程中材料微观组织演化和塑性变形的作用机制,总结了这些技术在改善表面强化效果和满足复杂服役要求方面的研究现状。最后,展望了超声滚压复合强化技术的应用前景和发展方向,强调了它在提高材料使役性能方面的研究价值和目标。     

激光表面织构技术调控材料摩擦学性能的研究进展

表面织构是提高工程材料摩擦学性能有效的表面改性方法之一。近年来多种表面织构技术已被应用于提高材料表面减摩耐磨性能,而在众多表面织构化技术中,激光表面织构技术由于具有加工速度快、生产效率高、可控性好等优点而被广泛应用。综述了激光表面织构的最新进展及应用,讨论了目前激光表面织构技术存在的问题及解决方法,总结了3种不同加工原理下的激光处理方法存在的问题,包括形状参数难控制、精度较差及灵活性较低等,并介绍了液相辅助加工技术在激光表面织构技术中的应用,同时分析了不同工艺参数包括密度、形状及深度等对材料摩擦学性能的影响。综述了激光表面织构技术复合涂层技术的研究现状,其中激光表面织构与非金属或金属涂层复合,包括氧化石墨烯填充PTFE涂层复合激光表面织构、复合热丝化学气相沉积增强激光表面织构、复合电液雾化增强激光表面织构及复合激光熔覆技术增强激光表面织构。总结了激光表面织构技术结合不同润滑技术对材料摩擦学性能的影响。最后展望了激光表面织构在各个领域的未来发展方向。     

复合材料用碳纤维等离子体表面改性技术进展

近年来复合材料得到了广泛的应用,尤其在航空工业领域,已成为了世界强国竞相发展的核心技术。碳纤维树脂基复合材料作为复合材料中的优秀代表,由于其独特的性能优势,具有很大的发展潜力,但是界面结合强度是制约其应用的关键瓶颈。等离子体表面改性技术能提高碳纤维与树脂基的界面结合强度。总结了国内外学者工作,从等离子体处理装备发展和工艺参数影响两个角度对碳纤维等离子体表面改性技术的研究进展进行了阐述。在装备发展方面,重点介绍了在碳纤维表面处理研究中三类处理装置,包括射频等离子体处理装置、DBD等离子体处理装置和滑动弧射流等离子体处理装置,分析了各自的优缺点。在工艺参数方面,重点介绍了不同等离子体种类、等离子体处理时间、等离子体放电功率对碳纤维表面状态的影响规律。在此基础上,对碳纤维等离子体表面处理技术的未来发展方向进行了展望。     

聚乙烯膜表面能提升改性的研究进展

聚乙烯膜表面改性的目的是在膜表面引入极性基团,提高膜表面的粗糙度,消除弱界面层,提高膜表面能.综述了聚乙烯膜的几种表面改性方法,包括化学改性法、火焰及热处理法、表面接枝法、等离子体处理法、电晕处理法、共混改性法、共同作用法等,并对比了各改性方法的优缺点.聚乙烯是非极性材料,表面能比较低(30～32 dynes/cm),...     

基于摩擦加工技术的镁合金表面改性研究现状

鉴于当前高性能镁合金的应用需求,亟待提高镁合金的表面硬度、摩擦磨损性以及耐蚀性等表面性能。新型固态加工技术——搅拌摩擦加工以及摩擦堆焊能够实现材料的大塑性变形,在镁合金表面微观组织结构改性、表面复合材料化以及金属焊敷层制备等方面得到了成功的应用。在介绍搅拌摩擦加工以及摩擦堆焊技术特性的基础上,分别从工艺手段、组织演变以及性能改善等方面综述了摩擦加工技术用于镁合金表面改性的研究现状。国内外研究结果显示,搅拌摩擦加工可有效细化镁合金表面晶粒,破碎粗大第二相,导入增强粒子,实现表面复合化,进而显著提高镁合金的硬度、耐磨性以及耐蚀性。摩擦堆焊技术可在镁合金表面成功制备无稀释、结合完整性高、均匀细化的金属焊敷层,有效改善镁合金表面硬度及耐磨性。通过对用于镁合金表面改性的摩擦加工技术研究现状的总结,展望了镁合金搅拌摩擦加工以及摩擦堆焊的发展前景,提出了需要进一步研究的方向。