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及其研究现状

综述了材料表面自纳米化的国内外研究现状,包括表层自纳米化的一些常用研究方法及机理,表层纳米化层的组织结构及其对材料力学性能的影响,表面自纳米化技术的应用前景.     

基于飞秒激光的钛合金表面微纳米结构制备及腐蚀行为

针对海洋深潜服役环境下钛合金的腐蚀失效问题，采用飞秒激光刻蚀技术在钛合金表面制备耐腐蚀的超疏水微纳米结构。探究激光刻蚀参数对表面刻蚀结构的影响机理，以及表面微纳米结构、疏水性能、盐雾腐蚀行为的交互影响规律。结果表明，飞秒激光刻蚀的表面微纳米结构，可以将空气截留于结构之间，并在液体与基底材料之间形成空气保护膜。气膜结构对液体的支撑力提高了钛合金表面的疏水能力，减少了腐蚀性液体与基底金属的接触时间与接触面积，进一步提高钛合金的耐腐蚀性能。     

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...     

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...     

钛合金表层机械处理的纳米化组织、力学性能与机理研究进展

机械诱发局部剧烈塑性变形方法是钛合金表层纳米化的主要方法,主要包括表层机械研磨方法、超音速微粒轰击方法、高能喷丸方法和激光脉冲喷丸方法等。通过控制表层机械处理参数可在钛合金表层制备出一定厚度的纳米组织,并沿厚度方向由纳米晶逐渐过渡到基体的粗晶组织;表层纳米组织的形成明显提高了钛合金表层的强度、硬度和抗腐蚀性能等。钛合金的表层纳米化机理受α相和β相含量的影响较大,α相含量为主的钛合金中孪晶分割细化机制占主导地位;β相含量为主的钛合金中位错分割细化机制占主导地位。在总结钛合金表层纳米化近年来取得的进展基础上指出了该技术今后的研究发展方向。     

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。     

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。     

40 Cr 钢表面高能喷丸纳米化及其耐磨性能

为了研究40Cr钢表面纳米化对其耐磨性能的影响,对40Cr钢表面进行高能喷丸处理,获得纳米结构表层,分析了材料表面高能喷丸前后的微观组织变化,测定了纳米化材料表层的残余应力及显微硬度,研究了纳米化表层的磨损性能。结果表明:高能喷丸使40Cr钢表层发生了严重塑性变形,显微硬度较基体提高了68%,并使材料表面分布了较高幅值残余压应力,最大可达-736 MPa,残余压应力层深度达0.9 mm;高能喷丸表面纳米化能在一定程度上降低40Cr钢表面的摩擦系数,且大大减小其磨损失重,显著改善了40Cr钢的耐磨性能。     

船用钛合金微弧氧化膜的性能及其研究进展

钛合金密度小、比强度高、可加工性好及耐海水腐蚀性强,是一种优秀的船舶材料.然而钛合金较低的耐磨性能、耐高温氧化性能及其对异种金属的电偶腐蚀等制约了其在船舶中实际应用.通过微弧氧化在钛合金表面原位生长氧化物陶瓷层,可显著改善钛合金的以上性能.文中综述了国内外船用钛合金微弧氧化研究进展及微弧氧化对钛合金的耐磨性、耐蚀性、结合强度及抗高温氧化性能的研究现状,展望了微弧氧化技术改善船用钛合金表面性能的发展趋势.     

Influence of Ultrasonic Rolling on Corrosion Resistance of 7075 Aluminum AlloyEI北大核心CSCD

表面纳米化处理是一种有效改善耐腐蚀性能的手段,但受表面粗糙度和残余应力等因素的影响,其相关机制并不清晰。 运用透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)研究经超声表面滚压工艺(USRP)处理后 7075 铝合金的组织和性能。结果表明： 经 1 道次和 15 道次 USRP 处理后,7075 铝合金表面粗糙度减小并且引入了残余压应力。滚压 15 个道次的试样表面能获得平均晶粒尺寸为 52 nm 的纳米晶。相较于未处理试样,经 1 道次和 15 道次 USRP 处理后试样的耐腐蚀性能均显著提高。其中, 滚压 15 个道次试样的耐腐蚀性能提升更为显著。这主要是因为纳米晶可以使材料表面形成更加致密的钝化膜,导致其耐腐蚀性能显著提高,而表面粗糙度降低和引入残余压应力是提升耐腐蚀性能的次要因素。对比分析残余应力、表面粗糙度和表面纳米晶对 7075 铝合金耐腐蚀性能的影响,揭示了 7075 铝合金经表面纳米化处理后耐腐蚀性能提升的机制。     

表面纳米化对AZ91D镁合金渗铝行为的影响

镁合金表面渗铝是提高耐蚀性的一种有效方法。本研究将表面纳米化作为渗铝的预处理过程。采用高能喷丸对AZ91D镁合金进行表面纳米化处理,然后进行真空铝扩散得到渗铝层。用透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)观察了渗铝层的形貌。结果表明,在对AZ91D镁合金表面高能喷丸后获得了100 nm的晶粒尺寸。在高能喷丸之后,渗铝层的深度比未高能喷丸的渗铝层厚。在440℃下扩散12 h后,渗铝层的深度增加到70μm。采用电化学方法对AZ91D镁合金的耐腐蚀性能进行了表征。结果表明,渗铝层明显降低了AZ91D镁合金的腐蚀速率。因此,高能喷丸强化有利于镁合金表面渗铝,提高镁合金的耐蚀性。     

表面纳米化对β型钛合金耐腐蚀性能的影响(英文)

采用表面机械研磨处理(SMAT)方法对医用β型TiNbZrFe合金表面处理60 min,研究表面纳米化对TiNbZrFe合金在生理环境下耐腐蚀性能的影响。采用TEM观察表层纳米晶微观结构特征,采用电化学方法研究表面为粗晶与纳米晶的TiNbZrFe合金在0.9%NaCl和0.2%NaF溶液环境下的电化学行为。结果表明:TiNbZrFe合金表面形成深度约30μm的纳米晶层,纳米晶尺寸为10~30 nm。在0.9%NaCl和0.2%NaF腐蚀环境下,与粗晶表面相比,表面为纳米晶的合金表现出较高的电阻、较正的自腐蚀电位以及较低的自腐蚀电流密度。合金耐腐蚀性能的提高主要归因于在纳米化的TiNbZrFe合金表面能够快速形成致密且稳定的钝化膜。     

Cu-30Ni合金机械冲击表面纳米化组织和性能(英文)

采用大应力塑性变形(机械冲击)技术对Cu-30Ni合金表面进行纳米化处理。利用原子力显微镜技术、纳米压痕试样、显微硬度测量、电化学分析和电子功函数等手段分别测试原始样品、大应力塑性变形纳米化处理样品的晶粒尺寸、力学性能、腐蚀性能。结果表明,与原始样品相比,大应力塑性变形纳米化处理样品的表面晶粒尺寸达到40nm;力学性能显著改善。电化学测试表明,表面纳米化提高了合金的耐腐蚀性能,耐腐蚀性能变化与电子功函数变化一致。机械冲击工艺技术能够使Cu-30Ni合金表面纳米化,从而提高了表面力学性能和耐腐蚀性能。     

海洋环境钛金属的应用现状及其防护技术研究

钛金属具有优异的耐海水和海洋大气腐蚀性能,因此在海洋装备中有广泛应用。但是钛金属在严酷海洋环境中应用表现出一些不足之处,如耐磨蚀性能差、易生物污损和电偶腐蚀等问题,严重影响了钛金属结构件的长寿命和安全可靠服役。介绍了钛金属在海洋环境中的应用现状,揭示了存在上述不足问题的本质原因。如海洋环境磨损与腐蚀的交互作用导致耐磨性能差的钛金属磨蚀损耗加剧,钛金属良好的生物相容性使其产生严重的生物污损,钛金属相比于其他金属具有较高的正电位,在介质环境中与异种金属偶接时作为阴极被保护从而加速偶接合金的腐蚀。鉴于钛金属优异的海洋耐候性,其在海洋环境中的应用必将越来越广泛,但是合适的表面处理和涂层防护是必不可少的。综述了国内外钛金属在海洋环境应用相关防护技术的研究现状,并对海洋环境中钛金属表面防护技术的发展方向和趋势进行了展望：金属陶瓷涂层和可控纳米结构氧化物陶瓷涂层是海洋环境钛金属运动部件耐磨蚀保护有效的技术手段;防污剂释放型和纳米缓释涂层技术是实现钛金属长效防生物污损很有前途的技术方法;钛金属表面低导电表面改性层的设计和制备可降低与其接触异金属的电偶腐蚀速度。     

医用钛合金表面形貌与成分对生物相容性影响研究综述

生物医用钛合金表面物化特性作为影响细胞生物学行为的关键因素,决定了骨-植入体之间的结合质量和速率。针对作者所在研究小组在钛合金表面改性技术研究中所取得的一系列进展进行了综述。在表面形貌制备方面,利用喷砂、激光和微细铣削等机械加工方法和酸蚀、碱热处理、阳极氧化等化学处理方法,在钛合金表面获得了微纳米双级结构。在表面化学成分方面,采用离子置换的方式在微纳米结构表面植入生物活性离子,通过富氧切削方式改善表面钝化膜的质量。通过电化学腐蚀试验和一系列体外细胞培养实验,验证各表面物化改性方法对钛合金植入体生物相容性的影响。研究表明,微纳米结构化的表面能够提高材料表面的亲水性,促进细胞的粘附、增殖和矿化等,而植入生物活性离子后与微纳结构表面产生了协同效应,进一步增加了其生物相容性。此外,在富氧加工气氛下,钛合金表面的氧化膜厚度相比自然条件下加工有明显增加,提高了生物相容性,同时耐腐蚀性也得到显著增强。     

油气开采用钛合金石油管材料耐腐蚀性能研究

选取5种油气开发常用钛合金材料(Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V-0.1Ru、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo和Ti-5.5Al-4.5V-2Zr-1Mo)为研究对象,使用高温高压釜模拟国内典型严酷服役工况环境,研究了不同钛合金材料耐均匀腐蚀、局部腐蚀、点蚀、应力腐蚀开裂(SCC)及缝隙腐蚀的性能,通过使用扫描电镜和能谱分析等手段对腐蚀形貌和腐蚀产物进行了分析,并使用电化学方法对不同合金的耐腐蚀机理进行了研究。结果显示,在所测试工况条件下,所有钛合金材料腐蚀反应均为阳极控制过程,均匀腐蚀速率均低于0.001mm/a,并且对应力腐蚀开裂均有良好的抗力。Ti-6Al-4V和Ti-5.5Al-4.5V-2Zr-1Mo合金出现明显的点蚀和缝隙腐蚀问题。对腐蚀机理研究表明,在工况条件温度下,随着pH值的降低,所有钛合金均发生自腐蚀电位降低,极化电阻减小,腐蚀电流增大,耐腐蚀性能下降,其中Ti-6Al-4V耐腐蚀性能下降的最为明显,研究结果为油气开发工况下钛合金石油管的选材和缝隙腐蚀问题防治提供理论基础。     

铝及铝合金无铬钝化研究进展

铝合金可加工成各种板材、型材、铝铸件,为了减少其在工业环境中的腐蚀损失,需进行钝化处理.钝化常作为涂层的预处理步骤,钝化膜能增强铝合金表面与有机涂层的结合力,进一步提高涂层对基体的防护能力.目前无铬钝化主要是钼酸盐钝化、稀土盐钝化、锆/钛盐钝化及有机物钝化,因此对这几种主要化学钝化法的研究进程及现状进行了综述.钼酸盐复配其他盐协同缓蚀,能够获得更强的耐腐蚀性能.稀土盐中加入强氧化剂和成膜促进剂,可以简化处理工艺,降低腐蚀电流.锆、钛盐中加入有机物形成复合膜,能够改善单一膜层的耐腐蚀性能,提高与基体的结合力.硅烷在铝合金表面形成交联结构,从而表现出良好的封闭效果.在硅烷中加入纳米粒子可以获得更好的膜层表面形貌,加入稀土及其氧化物可提高耐腐蚀性能.硅烷两步法成膜过程中,成膜次序不同能够获得不同的膜层物理性能和耐蚀效果.最后,对未来无铬钝化工艺的研究方向进行了展望.     

TC4钛合金铜镀层的性能*

传统的氰化物镀铜工艺会对环境造成极大的危害,钛合金无氰镀铜技术具有较高的研究价值。采用无氰化物硫酸盐镀铜技术在TC4钛合金表面制备铜镀层,利用扫描电子显微镜和能谱仪对其镀层形貌、成分、结合力、磨损形貌进行分析,并利用电化学方法和摩擦磨损试验研究其抗蚀性与耐磨性。结果表明:无氰化物镀铜技术在TC4钛合金表面电镀铜可获得表面均匀致密,结合力良好的镀层;TC4钛合金表面电镀铜后,摩擦因数由0.520降至0.381,可见钛合金表面铜镀层通过减摩作用能有效的改善和提高其耐摩擦磨损性能。TC4钛合金镀铜和未镀铜表面均存在钝化区,两者维钝电流密度分别为1×10-2 A/cm2和4×10-5 A/cm2,均有较好的抗腐蚀性能,TC4钛合金镀铜后的表面抗腐蚀性能较基体有所降低。