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...     

异质梯度纳米结构金属的研究现状

强度-塑性倒置普遍存在于传统均匀或随机微观结构的金属材料,而梯度纳米结构材料由于其晶粒尺寸呈梯度变化,变形过程中不同特征尺寸的结构相互协调,使其具有优异的综合力学性能。近年来,由不同性质的非均质区域构成异质结构的设计理论、制备方法和变形机理逐步完善。本文总结了梯度结构、双峰结构、谐波结构、异质层状结构、分散纳米域和层状纳米孪晶结构等异质结构金属材料的分类及制备方法。结合梯度纳米结构金属在应力加载过程中非均匀塑性变形行为,总结其强塑性机制,包括梯度塑性、几何必须位错、机械驱动的晶粒粗化、表面残余应力和表面扰动和剪切带行为等,并讨论其未来发展所面临的挑战。     

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.     

表面纳米化对材料性能影响的研究进展与展望

工程零部件失效常源于表面,微组织结构显著影响甚至决定工程零部件使役性能,表面纳米化技术可诱导材料微组织结构变化产生纳米晶结构表面层,增大表层残余压应力,对材料性能有极其重要的影响。首先综述了表面纳米化诱导微组织结构变化的过程及机理,诱导材料产生晶粒细化、位错运动、残余压应力增大、相变等微观变化,诱因有塑性变形、温度变化、元素渗入等。其次归纳了表面纳米化对材料性能的影响及其机理,上述微观变化对材料疲劳强度、耐腐蚀性、摩擦磨损性能、生物学性能等产生显著影响。总结了各个典型表面纳米化工艺的特点,相比于其他表面纳米化技术,超声振动辅助加工具有不需引入其他元素、不污染环境、原理简单、高速高质量、成本低廉、可依托于各种传统加工工艺等优势,对材料摩擦磨损性能、疲劳性能、生物学性能、表面浸润性和耐腐蚀性等具有积极作用。最后对表面纳米化工艺的未来发展做了展望,其中针对性分析了超声振动辅助加工。针对纳米晶结构表面层的数字化仿真模拟极其匮乏这一现状,将模拟仿真与试验相结合,分析微组织结构与加工参数、微组织结构与材料性能的映射关系并建立模型直观反映尚需更全面系统的研究。材料的某些性能可能不会同时达到最优值,依...     

深度轧制技术制备的纳米晶金属板材腐蚀性能研究进展

概述了目前已提出的几种纳米晶金属材料制备技术和不同纳米晶金属材料腐蚀研究进展。介绍了深度轧制技术制备纳米晶金属板材,阐述了该技术制备的纳米晶金属板材(工业纯铁、304不锈钢和工业纯铝)腐蚀性能研究进展。与相应的普通金属材料相比,深度轧制技术制备的这三种纳米晶金属材料在不同腐蚀环境(溶液、熔盐和高温气体)中耐腐蚀性能(局部腐蚀和均匀腐蚀)提高。大量纳米晶及其相应普通金属材料的腐蚀实验结果表明,传统的材料微观结构参量(成分及其分布、晶粒尺寸、位错密度和残余应力等)不是腐蚀性能的本征参量。提出了从金属材料价电子结构和氧化膜电子结构角度理解金属材料腐蚀性能及其相关腐蚀机理,并在现有工作基础上提出金属材料电化学腐蚀本征参量的概念。     

表层纳米化对钛合金电化学腐蚀影响的研究进展

表层纳米化处理可以改变材料表层的组织结构,提高材料的表面性能,而钛合金综合性能优异,有着广泛的应用,可以通过表层纳米化技术在钛合金表层制备出一定厚度的纳米层,进一步提升钛合金的耐腐蚀性能。本文介绍了表层纳米化技术和钛合金表层纳米化的作用机理,并综述了目前国内外表层纳米化对钛合金电化学腐蚀影响的研究进展,重点阐述了表层纳米化后钛合金的表面状态、成分、残余应力和微观结构对耐蚀性的影响,探索了钛合金表层纳米化今后的研究方向。     

金属表面自纳米化及其复合改性技术研究进展

结合国内外表面自纳米化的研究成果,综述了表面纳米晶层产生的机理及表面自纳米化对材料表面硬度、摩擦磨损性能、抗疲劳性能以及耐腐蚀性能等的影响,总结了表面纳米晶层的优势,并针对表面纳米晶层性能及单一表面处理技术的不足,详细介绍了金属表面自纳米化与等离子体扩渗、微弧氧化及化学镀等常规表面处理相结合的复合改性技术研究进展,阐明了复合处理技术在材料性能提升上的巨大优势。最后,指出了复合处理技术面临的挑战,并从加强作用机理的研究、复合处理工艺系统性研究以及推进工业化应用等方向着手,提出应充分发挥金属材料表面自纳米化这一普适性的表面处理手段与其他表面改性技术复合的优势。希望为实现金属材料结构功能一体化,促进高性能新型材料和高性能复相表层的研究开发,加快复合改性技术工业化应用的进程提供借鉴与支撑。     

纳米结构金属材料的塑性变形制备技术

本文总结了制备纳米结构金属材料的塑性变形技术,包括大应变量变形技术(冷轧、累积叠轧、等通道挤压和高压扭转)、高应变速率变形技术(动态塑性变形)和高应变梯度变形技术(表面机械研磨和表面机械碾压),分析了变形方式及变形参数对晶粒细化的影响规律,展望了利用塑性变形技术制备纳米结构金属材料的发展趋势及挑战.     

铝在纳米纯铁中的低温扩散行为

通过表面机械研磨处理（SMAT）技术在纯Fe上制备纳米结构表层。利用X射线衍射（XRD）表征其平均晶粒尺度,使用氢脆技术表征样品表面机械研磨层的微观组织结构,用二次离子质谱仪（SIMS）测量Al在SMAT纯铁纳米结构表层中的扩散性能。结果表明,经过SMAT处理纯Fe表层形成平均尺寸约为31nm的组织。在300-380℃范围内Al在SMAT制备纳米晶Fe中的扩散系数比Al在粗晶纯Fe中扩散系数高6-7个量级。扩散激活能为134kJ/mol,低于传统扩散激活能。扩散性能的提高源于其中具有大量高位错密度的非平衡晶界。     

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。     

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。     

金属材料表面纳米化研究现状

金属材料的表面纳米化处理是近几年表面强化方法研究的热点之一。这种技术将纳米晶体材料的优异性能与传统工程金属材料相结合,在工业应用上具有广阔的应用前景。通过对表面纳米化的基本原理、制备方法、结构特征和功能特性的综述,提出要实现这种新技术的工业应用需要解决的问题,如影响因素,表面纳米化形成动力学等。     

Surface nanocrystallization of 7A52 aluminum alloy welded joint

As a means of surface modification process, metal surface nanocrystallization (MSN) has attracted widespread attention and enjoyed a great prospect. However, currently little research is carried out regarding MSN of welded joint. The processes of high energy shot peening (HESP) technology and ultrasonic impact treatment (UIT) were carried out to achieve joint surface nanocrystallization.The grain size of before and after the welded joint surface nanocrystallization were comparatively analyzed with X-ray diffractometer, the surface deformation layer thickness of before and after the welded joint surface nanocrystallization were comparatively analyzed with optical microscopy, the surface hardness of before and after the welded joint surface nanocrystallization were comparatively analyzed with micro hardness machine. The results show that both of the processes can achieve welded joint surface nanocrystallization and the weld after HESP have smaller grain size, larger deformation layer thickness and higher hardness values than those after UIT. However, HESP is restrained by the shapes and sizes of welding materials, so the UIT process is preferred to use in the general engineering practical applications.     

表面纳米化对金属材料电化学腐蚀行为的影响

根据已有的研究结果，总结了表面纳米化对材料电化学腐蚀行为的影响，发现表面纳米化增加了材料表面活性，使活性金属材料溶解速度提高，使钝性金属材料表面更易形成钝化膜；纳米化过程不仅仅促使晶粒细化，往往还引起材料表面其他物理和力学性能的改变，因此，在研究纳米材料腐蚀行为时，应全方位考虑。     

轻金属表面微纳制造与功能防护

在使役过程中,机械装备的失效往往始于表/界面。轻金属材料（如铝、镁、钛及其合金等）由于其高强度、低密度和高延展性等性能,在航空航天、汽车、电子、生物医学和海洋工程等领域获得了广泛的应用,但由于其化学活性高而易腐蚀、质软而耐磨性差等性质也限制了它们的应用范围。近年来,科学界涌现出对轻金属表面进行微纳米化加工、处理等许多技术,如激光刻蚀、化学刻蚀、阳极氧化以及微弧氧化等。通过利用这些技术手段对其表面结构和组成进行改性和调控,可以改善材料本身的某种性质（如机械性能）或赋予一些潜在的应用（如防腐、抗菌等）,从而实现材料表面的多功能化防护。结合近几年国内外学者的研究及课题组的一些研究工作,概括了轻金属表面微纳结构的设计方法和原理以及与表面功能防护的关系,以及通过在材料表面构筑多功能复合界面,以提升抗磨、耐蚀以及防结冰、自清洁等性能,最后对轻金属表面的微纳制造与功能防护的发展进行了总结和展望。     

Nano Surface Engineering in the 21^st Century

Nano surface engineering is the new development of surface engineering, and is the typical representation that the advanced nano technology improves the traditional surface engineering. The connotation of nano surface engineering is profound. The initial stage of nano surface engineering is realized at present day. The key technologies of nano surface engineering are the support to the equipment remanufacturing. Today the relatively mature key technologies are: nano thermal spraying technology, nano electric-brush plating technology, nano self-repairing anti-friction technology and metal surface nanocrystallization, etc. Many scientific issues have been continuously discovered. Meanwhile they have been applied in the practice more and more, and have archived the excellent remanufacturing effect.     

形变强化金属材料表面状态特征的疲劳演变研究进展

概述了形变强化技术对金属材料疲劳性能的增强机理,主要归因于残余压应力、加工硬化、微观组织等表面状态特征的协同作用。重点综述了形变强化处理后金属材料表层的残余应力、加工硬化以及微观组织等表面状态特征在热载荷、机械载荷影响下疲劳演变的研究进展,分别总结了热载荷、机械载荷以及热–机械耦合载荷等作用条件下残余应力松弛行为、加工硬化松弛行为以及微观组织的疲劳演变规律与机理,并就热载荷、机械载荷作用下残余应力松弛行为的理论预测模型进行了归纳总结。在此基础上,讨论了关于残余应力、加工硬化以及微观组织等表面状态特征因素之间内在联系的研究进展,并指出了对于上述三者之间的逻辑关系目前研究存在的不足之处,以及尚待解决的问题。最后分析了当前金属材料表面形变强化研究中存在的一些问题与不足,并对表面形变强化抗疲劳制造技术未来的发展趋势进行了展望。