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TC4表面纳米化及其热稳定性

利用超音速微粒轰击技术(supersonic fine particles bombarding,SFPB)对钛合金TC4进行了表面纳米化处理,并对SFPB处理后的试样进行不同温度2 h退火处理。借助X射线衍射、显微硬度计、透射电子显微镜和差热分析对纳米化及热处理后的试样进行了组织和性能表征,研究钛合金表面纳米化机理及其热稳定性。结果表明:经过SFPB处理后的试样在表层形成了纳米结构层,随着处理时间的延长,变形层厚度不断增加,晶粒尺寸逐步细化,当SFPB处理30 min后晶粒尺寸趋于稳定,在表层形成了晶粒尺寸约为15 nm具有随机取向的纳米等轴晶。纳米化后的试样在750℃退火时,纳米晶未发生明显粗化,因而具有很好的热稳定性。     

医用钛合金表面纳米化组织与性能研究

针对近β型TLM钛合金试样表面进行了不同时间的高能喷丸处理,采用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)以及显微硬度仪等对不同喷丸处理后的试样进行了组织观察和性能测试。研究发现,在喷丸的近表层发生了纳米化,形成了一定厚度的纳米晶层。喷丸处理时间越长,最表层的平均晶粒尺寸越小,晶粒尺寸沿着厚度方向有梯度变化,距喷丸表面越远,晶粒尺寸就会越大。同时纳米晶层的显微硬度相对于基体组织有大幅提高,显微硬度距表面距离越远,显微硬度越低,硬度的提升主要是由于表面晶粒细晶强化的作用所致。     

钛合金表面高能喷丸纳米化后的组织与性能

通过光镜、扫描电镜、硬度仪和透射电镜对TC4钛合金表面高能喷丸纳米化后的金相组织、晶粒尺寸、显微硬度进行测试分析。结果表明,处理后材料表面平均晶粒尺寸达到了纳米量级;在横截面上沿深度方向的晶粒细化程度逐渐减小;随距被处理表面距离增加,硬度增加程度越来越小;随处理时间延长,表面硬度有增加的趋势。并对其纳米化机理进行了讨论。     

钛合金表面高能喷丸纳米化后的组织与性能

通过光镜、扫描电镜、硬度仪和透射电镜对TC4钛合金表面高能喷丸纳米化后的金相组织、晶粒尺寸、显微硬度进行测试分析。结果表明，处理后材料表面平均晶粒尺寸达到了纳米量级；在横截面上沿深度方向的晶粒细化程度逐渐减小；随距被处理表面距离增加，硬度增加程度越来越小；随处理时间延长。表面硬度有增加的趋势。并对其纳米化机理进行了讨论。     

钛合金缝隙腐蚀、离子渗氮与表面纳米化的研究进展

钛合金凭借优异的耐腐蚀性能,在海洋工程中有着巨大的应用前景,但是其在苛刻条件下易发生缝隙腐蚀及耐磨性差等缺点也影响了它的使用。总结了钛合金发生缝隙腐蚀的条件与原因,以及普通离子渗氮对钛合金耐磨性和耐腐蚀性能的影响,并重点探讨了表面纳米化对钛合金离子渗氮层结合力和耐蚀性能的影响。研究发现,钛合金在高温(65℃以上)、高酸性(低pH值)、高Cl~-浓度、低氧含量的苛刻环境中会发生缝隙腐蚀,氧浓差电池与自催化酸化作用是钛合金缝隙腐蚀的主要机理,钛吸氢形成的脆性TiH_2则会加速缝隙腐蚀过程。普通离子渗氮在钛合金表面形成的高硬度TiN、Ti_2N层可以提高钛合金的耐磨性,同时提高其耐均匀腐蚀性能。但是,由于离子渗氮层与钛合金基体的硬度差别较大,结合力不强,腐蚀过程中容易发生脱落。利用表面纳米化技术制备表面梯度纳米晶结构,有望通过离子渗氮获得结合力好的渗氮层结构,并可以有效降低渗氮温度。     

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。     

表面纳米化钛合金与不锈钢脉冲加压扩散连接

采用高能喷丸（HESP）对TA17钛合金和0Cr18Ni9Ti不锈钢棒材的端面进行了表面自纳米化（SSNC）处理,在端面获得了一定厚度的纳米晶组织层。将钛合金和不锈钢的纳米化处理端面对接,在Gleeble-1500D热模拟试验机上进行脉冲加压扩散连接。对接头进行了拉伸试验,并对断口和接头显微组织进行了研究分析。结果表明,接头强度高达384．0MPa,与在相同条件下获得的常规粗晶的接头强度相比,有显著的提高。接头在拉伸时发生脆性断裂,接头剖面的显微硬度随显微组织而变化。     

β钛合金表面纳米晶特征及其腐蚀性能

经过30 min表面机械研磨处理后,在TNZF合金表面成功制备了表层纳米结构,并讨论了表面纳米化对TNZF合金耐腐蚀性能的影响。纳米晶形成机理主要是通过大量位错滑移并相互切割基体,以及晶格转动实现晶粒细化。在人体生理盐水(0.9%NaCl)中测试的交流阻抗谱表明,纳米晶表面与粗晶表面相比低频阻抗值有很大提高;动电位极化曲线表明,表面纳米化提高了钛合金的腐蚀电位,同时降低了腐蚀电流密度,从而提高其抗氯离子的腐蚀性能。     

低碳钢超声喷丸表面纳米化的研究

利用超声喷丸技术在２０低碳钢上制备出具有纳米晶体结构特征的表面层,利用Ｘ射线衍射及电镜分析研究了表面纳粘层的微观组织结构特征。结果表明,经超声喷丸自理可使样品表层晶粒细化至纳米量级,表层晶粒尺寸约为１０ｎｍ,微观应变为０．０２％～０．０４％,表面纳米层厚度约为１０μｍ,另外,样品表层亚稳想Ｆｅ３Ｃ发生分解,形成纳米尺寸的石墨相和α－Ｆｅ相。     

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.     

钛及钛合金的激光表面处理研究进展

激光表面处理是改善材料硬度、耐磨性和抗蚀性的有效途径。对钛及钛合金激光表面处理(激光表面合金化、激光熔覆和激光表面熔化)因可拓展其应用领域而备受关注。本文结合近年来的研究报道,全面综述2种激光表面处理即激光表面气体氮化和激光粉末合金化的影响因素,激光表面处理后表层组织、性能、缺陷控制以及激光参数的优化。在此基础上,阐述了目前存在的问题和今后的发展方向。     

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...     

不同含碳量Fe-C合金表面纳米化行为的分析

采用超音速微粒工艺对不同含碳量的Fe-C合金进行表面纳米化处理。试验结果表明：纯铁和碳钢均可以实现表面纳米化，而灰口铸铁却得不到纳米化的表层结构，原因是其组织结构和塑变能力不同；超音速微粒轰击工艺获得的变形层厚度与含碳量相关，大致与合金屈服强度的1／2次方成反比；纯铁和低碳钢经过超音速微粒轰击可以获得最佳的表面纳米化效果。     

钛合金的激光表面处理研究进展

介绍了钛合金的各种激光表面改性技术及其研究进展,讨论了激光表面改性处理工艺参数对钛合金性能的影响。并介绍了其应用前景。利用激光表面处理可克服钛合金硬度低、易发生粘着磨损等缺点,同时可提高其耐蚀性及抗高温氧化等性能。此外,利用脉冲激光沉积技术在改善钛合金的生物活性等方面也取得了好的结果。     

生物医用钛合金的研究进展

钛合金具有较低的弹性模量、优异的耐腐蚀性能和生物相容性,是理想的生物医用材料.综述了医用钛合金的发展过程及新型医用β钛合金的研究现状,以及开发的新合金系列.目前开发的医用钛合金中,Ti-35Nb-7Zr-5Ta和Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr合金的弹性模量为55 GPa,与致密骨的弹性模量很接近,与人体骨有较好的...