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,依托于上述模型的综合评价体系有待建立,纳米晶结构表面层基于相变动力学的高温稳定性等仍需深入分析探索。超声振动辅助加工技术的关键制约因素有待完善,新材料的开发和技术手段的改进都是重要研究内容。超声振动辅助加工与其他表面纳米化方法组合使用是可探讨研究之处,优势互补或许可进一步诱导产生更优异的材料性能。

纳米表面增强铜基复合材料

采用复合粉末加压成型法，制备了具有纳米结构表层的铜基复合材料，纳米表面层的厚度为１００ｕｍ－２００ｕｍ，纳米表面层与基体结合界面牢固。对制备工艺、纳米表层的微观结构及性能进行了研究，结果表明，随着成型压力的增加，复合材料纳米表层的致密度增加，硬度增加。压强为 １．５ ＧＰａ压制成型的复合材料，经 ３５０℃退火可获得最佳性能的纳米表面层，显微硬度值可达到２９０左右。

铜表面纳米Cu-Zn复合层的摩擦磨损特性

采用复合粉末高压成形技术在粗晶铜基体表面成功制备了纳米晶Cu-Zn合金表面层;在MG-2000型高速高温摩擦磨损试验机上考察了纳米复合层的摩擦磨损特性;采用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪观察分析了纳米合金层磨损表面形貌及主要元素的化学状态.结果表明:纳米晶Cu-Zn合金经300℃退火后β相中析出超细α相,使其表现出最佳力学性能和耐磨性能;在载荷60～160N范围内,经300℃退火处理的纳米晶表面层在摩擦过程中形成薄而连续的主要由纳米Cu-Zn、ZnO和Fe2O3等组成的致密复合薄膜,从而使耐磨性能和承载能力大幅度提高;ZnO可以有效地填充摩擦表面膜中的空隙和抑制裂纹的扩展,从而使纳米Cu-Zn合金层保持良好的减摩抗磨性能.

40Cr钢表面纳米化组织与性能的研究

采用超音速微粒轰击技术(SFPB)对40Cr调质钢进行表面纳米晶结构层的制备,利用TEM、XRD、GX-71型金相显微镜和TUKON2100显微/维氏硬度计等对表面纳米层的组织结构、硬度以及耐磨性进行了分析研究。结果表明:经过SFPB表面处理后,40Cr调质钢表面晶粒细化,形成了随机取向的铁素体和渗碳体纳米晶粒构成,晶粒尺寸达到10nm,纳米层厚度为40μm。纳米晶粒尺寸随着距表面距离的增加而增大,纳米化主要是位错运动的结果。经SFPB处理后,表层的显微硬度提高到526HV,且随着深度的增加,硬度迅速降低,表面的耐磨性也明显提高。

40Cr钢表面纳米化的研究

采用超音速微粒轰击技术(SFPB)对40Cr调质钢进行表面纳米晶结构制备,并利用TEM、XRD、GX-71型金相显微镜和TUKON2100显微/维氏硬度计等对表面纳米层的组织结构和显微硬度进行了分析研究。结果表明,经过SFPB表面处理后,在40Cr调质钢表面晶粒细化,形成了随机取向的铁素体和渗碳体纳米晶粒,晶粒尺寸达到10 nm,纳米层厚度为40μm;纳米晶粒尺寸随着距表面距离增加而增大,纳米化主要是位错运动的结果;经SFPB处理后表层的显微硬度提高到526HV,且随着深度的增加硬度迅速降低。

纳米Cu-Zn层-铜基复合材料的摩擦磨损特性

采用复合粉末加压成型的方法,成功制备了纳米Cu-Zn合金-Cu复合材料,获得了具有纳米结构表面层的铜基复合材料。对纳米表面层的微观结构、基体与表面的界面结构和相变特征及其对材料表面性能的影响进行了深入研究。实验结果表明,纳米表面层与基体结合良好,纳米表面层在经350℃左右退火,摩擦表面上形成了一层几乎覆盖整个摩擦表面的薄而连续的致密表面膜,该摩擦表面膜的存在,使复合材料的耐磨性和承载能力大幅度提高,耐磨性明显优于基体材料。