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.     

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。     

表面纳米化对304不锈钢/CrN薄膜力学性能的影响

表面纳米化可以显著改善金属材料的表面力学性能,并促进氮、铬等原子的热扩散,文中尝试采用表面纳米化技术改善金属基体/硬质薄膜的力学性能.对304不锈钢采用表面机械研磨处理获得纳米晶粒表层,采用多弧离子镀镀方法在表面纳米化和粗晶粒的304不锈钢基体上沉积CrN薄膜.对两种膜基体系采用X射线衍射、显微硬度测试、压入法和划痕法膜基结合性能评价.结果表明,表面纳米化影响了CrN膜层的组织结构,明显提高了膜基体系的硬度和承载能力,还改善了膜层的韧性,膜基结合性能也得到提高.     

表面纳米化技术对金属材料性能影响

综述了表面纳米化技术的原理和发展历程,介绍了表面纳米化技术对金属材料的疲劳性能和耐蚀性的影响,阐述和总结了在该领域中各研究者的观点。认为表面纳米层中晶粒细化及残余应力对材料性能的影响起到重要作用,超声冲击表面纳米化技术会在医用植入材料领域得到良好应用。     

钢铁材料表面自纳米化技术研究及应用展望

介绍了钢铁材料表面自纳米化的研究现状、纳米晶化机制和表面自身纳米化技术的应用前景,表明表面自身纳米化能显著提高钢铁材料的表面强度,硬度、耐磨和耐疲劳性能,在化学热处理和电化学防护方面也展示了广阔的应用前景.     

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。     

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。     

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。     

7A52铝合金表面纳米晶层的电化学腐蚀性能

采用高速微粒轰击技术对7A52铝合金进行表面纳米化处理,利用OM、XRD和TEM研究了表面纳米晶层的微观结构特征,利用CHI660A型电化学工作站测试了样品表面纳米化处理前后电化学腐蚀性能,利用SEM和EDS分析了表面纳米样品电化学腐蚀机制。结果表明:纳米晶最表层晶粒尺寸约为8～20nm,平均晶粒尺寸约为16nm,表面纳米晶层的厚度为20μm左右;表面纳米晶层自腐蚀电流密度icorr由-4.07E-7A.cm-2变为-9.476E-7A.cm-2,明显降低且晶层无龟裂,表现出优异的耐腐蚀性能。表面纳米晶层耐腐蚀性能明显提高的主要原因是表面纳米化增加了样品表面活性,生成了质量优异的钝化膜。     

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...     

Mechanical Properties of TiN Coating on Nanocrystalline Surface Layer of 304 Stainless Steel

Surface nanocrystallization(SNC)can markedly improve surface mechanical properties of metallic materials and accelerate thermal diffusion of elemental atoms.In this work we study the effects of SNC on structure and mechanical properties of TiN coating on 304 stainless steel substrate.The steel was subjected to 15 min surface mechanical attrition treatment(SMAT)to obtain a nanocrystalline surface layer with thickness about 30μm.TiN coating was deposited on the surface nanocrystallized and the coarse-grained steel substrates by multi-arc ion plating.X-ray diffraction shows that TiN(111)orientation of the coating is much reduced due to SNC treatment.Mechanical tests show that the nanocrystalline surface layer has obviously increased surface hardness of the coating system;toughness and adhesion of the coating,impact resistance of the coating system are also improved.Advantages of SNC-hard coating processing over the conventional duplex treatment consisting of thermal diffusion process-hard coating are shortly discussed.     

Surface nanocrystallization of commercial pure titanium by shot peening

The surface nanostructures of commercial pure titanium was realized by the modified shot peening equipment commonly used in industry through the special treatment process. The results show that high-energy-shot-peening(HESP) commonly used to prepare nanostructured surface layers can be achieved by the increase of pill size, pill speed, and treatment time in the commercial shot peening equipment. XRD, SEM and TEM were used to characterize the surface layer microstructure of treated specimens. The analytic results show that the main deformation mode of commercial pure Ti is twinning. At the beginning of deformation, the dislocations are formed and twins occur within or on plane, then twins in intersection plane appear, and at last the twin characteristics disappear in the surface layer after longer treatment time. The deformation layer depth increases with treatment time in a certain period when the pill size and speed are unchanged. And in the severe plastic deformation (SPD) layer in which the twins are not identified easily by using SEM, the nanocrystalline microstructures are found under TEM. The finest grain size in the surface layer is about 40 nm, and the depth of nanostructured layers is over 60 μm. The microhardness of the nanostructured surface layers is enhanced significantly after shot peening compared with that of the initial simple.     

Surface nanostructures in commercial pure Ti induced by high energy shot peening

The high-energy shot peening (HESP) technique was used to obtain the surface nanocrystalline microstructure for a hcp metal titanium. XRD, SEM and TEM were applied to characterize the microstructure of the surface layer. Large amount of the deformation twins in the surface layer were observed by SEM in the specimens after HESP treatment in a shot-time, and the number of deformation twins both in a single plane and in intersecting planes increases with HESP time, until the twin character disappears completely in the top surface layer, which means that the severe plastic deformation(SPD) occurs on the surface. The XRD analysis results show that after HESP treatmen for 30 - 60 min the surface grain size decreases to nanoscale. According to the TEM images and corresponding diffraction patterns from SPD areas of the 120 min-treatment specimen, the measured grain size near the surface is about 20 - 30 nm. The grain size in deformation layer increases with the depth from the surface, and the nanostructured layer is about 20 μm in depth. Therefore, the surface nanocrystalline and a gradient microstructure from the surface to the matrix are obtained, which results in the micro-hardness decreasing from surface to the matrix gradually.     

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。     

激光辅助涂层技术和表面改性质量的研究概述

激光辅助涂层技术的目的是保护暴露的工业产品或易受化学损伤的部件和结构.概述了想要在材料表面的高性能和昂贵部件中权衡制造成本,主体部件可由更便宜的材料制成,通过涂覆技术以达到成本设计的最优化.重点综述了近年来激光辅助技术的研究进展.使用激光作为热源制造机械零件的一组革命性工艺,包括采用基于激光的工艺在所选区域上产生材料沉积以提供保护层和增强基材的耐腐蚀和耐磨性、传热和机械性能.迄今为止,已经引入和研究了多种激光辅助工艺,包括增材制造(AM)、激光表面合金化(LSA)、激光表面熔覆(LSC)、激光辅助等离子体喷涂(LPS)、激光化学气相沉积(LCVD)及其他多种激光辅助涂覆技术.重点归纳了涂覆过程中每种工艺的优势及限制其应用的缺点.对激光辅助涂层方法进行了分类,归纳了激光辅助涂覆方法,并对其进行了比较研究,用以提供更清晰的图片和选择合适的涂层技术,从而根据实际应用获得最理想的涂层设计方案.最后展望了通过发展更先进的技术和材料,可能会获得更高质量的保护性能.     

基于纳米晶的低温离子渗硫层油润滑条件下摩擦磨损性能

利用预压力滚压技术在堆焊修复层表面制备纳米晶层,用低温离子渗硫技术在纳米晶层表面制备Fe S固体润滑膜。利用CETR-3型多功能摩擦磨损试验机考察油润滑条件下堆焊层表面纳米晶/Fe S复合层的摩擦磨损性能。采用SEM、EDS、XRD和XPS对摩擦磨损前后的硫化层微观组织结构进行分析。结果表明:与原始低温离子渗硫层相比,基于纳米晶的渗硫层厚度增加了40%,硫化层更为密实,基于纳米晶的低温离子渗硫层摩擦因数明显降低,磨损量降低40%左右,承载能力明显提高。耐磨减摩性能提高是纳米晶层作用的结果,基于纳米晶的硫化层硫化物含量较高,Fe S相所占比例较高,高硬度的纳米晶层为表面润滑层起到良好的支撑,对于减摩性能的提高起到积极作用。     

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。     

电火花微纳米涂层的研究与应用

阐述了电火花微纳米涂层的形成机理及其表面性能研究,分析了熔覆层硬度、耐磨性得到改善的主要原因即纳米晶硬质相的加入,并重点论述了微纳米涂层中纳米晶组织的形成原因,即骤冷骤热的熔覆过程对金属表面层进行了超高速淬火。此外,还指出了电火花微纳米技术存在的问题以及未来的主要研究方向。     

Characterization of Nanocrystallizatin Surface Layer of 0.4C-1Cr Low Alloy Steel Prepared by Ultrasonic Particulate Peening

NANOCRYSTALLINE MATERIALS,in recent years,have been attracting increasing interests,since the grainsize in the nanometer range leads to various unusualproperties[1].While it is known that most failures ofengineering materials occur on the surface.One kind ofsurface modification,the surface nanocrystallization(SNC),was introduced by Lu and Lu[2]in order toimprove the overall properties and behavior ofmaterials by inducing a SNC layer without changingthe chemical composition[3].Recen…