金属材料表面自身纳米化研究进展

近年来采用表面自身纳米化技术对纯金属、低碳钢及其他合金进行表面改性已得到广泛而深入的研究。相对于其他金属材料的表面改性技术,表面自身纳米化具有特定的技术优势。简要综述了金属材料表面自身纳米化技术的组织结构特征、组织演变机理、力学性能、元素扩散行为、腐蚀性能等。层错能的不同导致了不同表面纳米化形成机制,表面纳米晶的形成能有效改善原子的扩散行为,提高金属的硬度、强度、耐摩擦和疲劳性能。

机械加工法实现金属材料表面自身纳米化的研究进展

综述了机械加工法实现金属材料表面自身纳米化的研究现状,分别从制备方法、纳米化层的形成机制、纳米化层的特点和性能等方面的研究进展进行了阐述,并对表面自身纳米化技术的发展趋势进行了简单的分析。

应用超声形成金属表面自身纳米化的研究现状

金属材料表面自身纳米化,即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。纳米结构表层与基体之间没有明显的界面,处理前后材料的外形尺寸基本没变,一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难,另一方面又将纳米晶体材料的优异性能与传统金属材料相结合。近几年来,越来越多的国内外学者开始将超声技术应用在金属表面自身纳米化过程中,以方便、快速、低成本地在金属表面大规模获得纳米结构层。本文简要介绍了超声实现金属表面自身纳米化技术的基本原理及特点,综述了超声表面纳米化对金属材料的力学、腐蚀、疲劳等性能的影响。

浅析表面自身纳米化及其应用进展

简要介绍了表面自身纳米化技术的特点,表面自身纳米化材料的制备原理,综述了表面自身纳米化对材料的力学、腐蚀、疲劳等性能的影响。

TC17钛合金表面自纳米化及拉伸试样断口形貌

TC17钛合金经超音速微粒轰击(SFPB)在表面形成一层纳米级别的细小晶粒。研究表明,纳米层厚度随SFPB时间的延长而增大,纳米晶粒尺寸随SFPB时间的延长而减小,30min后表层纳米晶粒尺寸可达16.3nm,且晶粒取向处于随机分布。随着SFPB时间的延长,延伸率有所下降,抗拉强度和屈服强度均有所提升,三者都是开始变化剧烈,随后变化缓和。表面纳米化后,试样断口为延性断裂中的韧窝-微孔聚集型断裂,韧窝形成微孔,然后微孔形成裂纹直至断裂。

TC17钛合金自表面纳米化机制及组织演化

借助X射线衍射仪、透射电镜及显微硬度仪等先进仪器,研究经超音速微粒轰击(SFPB)处理TC17合金表面自身纳米化晶粒尺寸演化及纳米化机理。结果表明:超音速微粒轰击使TC17合金表面获得了纳米组织,并发生显著的加工硬化,表面显微硬度比基体硬度提高了1倍左右;随着SFPB处理时间的延长,纳米结构层厚度不断增加,晶粒逐步细化,当SFPB处理30 min后晶粒尺寸趋于稳定,在最表层形成了晶粒尺寸约为16.3 nm具有随机取向的等轴纳米晶粒。TC17合金表面自身纳米化主要是位错滑移、位错分割的结果;由于外界多方向载荷的重复作用而产生大量的位错,位错的滑移、积累、交互作用而产生位错墙和位错纠结,位错继续运动进而产生亚晶界、亚晶;随着应变的增加,更多的位错在亚晶界处产生和湮灭,从而使亚晶界、亚晶转变为晶界、晶粒;当位错的产生和湮灭速率达到平衡时,晶粒达到纳米量级。

Ti-6Al-4V钛合金表面纳米化机制研究

借助X射线衍射仪、透射电镜及显微硬度仪等先进仪器,研究了经超音速微粒轰击(SFPB)形变热处理Ti-6Al-4V合金表面自身纳米化晶粒尺寸演化及纳米化机制。研究结果表明:超音速微粒轰击使Ti-6Al-4V合金表面获得了纳米组织,并发生显著的加工硬化,表面显微硬度比基体硬度提高了1倍多;随着SFPB处理时间的延长,纳米结构层厚度不断增加,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20 nm具有随机取向的纳米等轴晶。Ti-6Al-4V合金表面自身纳米化是由于位错运动、孪晶的形成及交割共同作用的结果;在多方向载荷的重复作用下,在塑性变形区产生了大量的由位错线和高密度位错缠结分割的位错胞,并在位错塞集处产生应力集中,进而形成孪晶;孪晶自身相互交割和位错的滑移相互协调,形成了细小的孪晶和胞状组织;晶胞组织转变为细小多边形亚晶;当孪晶尺寸细化到亚纳米级时,位错的滑移起主导作用,最终通过位错的湮灭和重组形成了具有随机取向的等轴状纳米晶粒。

HVOF微粒撞击诱导镁合金表面纳米化工艺研究

研究了超音速火焰喷涂(HVOF,high velocity oxygen-fuel flame)微粒撞击诱导Mg-15Gd-3Y镁合金表面纳米化新工艺,分析了不同工艺参数对表层变形及纳米化的影响规律。发现撞击钢丸粒径大小、轰击距离和处理时间对表层组织和硬度分布具有重要影响。通过光学显微镜和透射电镜观察了表面自身纳米化处理后镁合金样品表层组织的形变特征和纳米化效果;利用显微硬度仪测试了样品从表面至基体的硬度分布;采用X射线衍射仪分析了纳米化处理前后样品表层的物相变化情况。检测结果显示,该工艺在镁合金材料表面成功实现了自身纳米化,表层晶粒细化至20nm左右,显微硬度提高至2倍以上,处理后样品表层没有出现氧化。

SUS430不锈钢纳米表层的高温氧化行为

通过高能喷丸方法在SUS430不锈钢表面制备纳米表层,利用X射线衍射(XRD)、热分析(TGA)、扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)进行测试,研究了纳米表层在不同气氛中的高温氧化行为,并分析了表面自身纳米化对SUS430不锈钢耐氧化性能的影响。结果表明:纳米表层在氧化初期氧化强烈,呈线性规律迅速增重,但达到钝化的时间短,氧化膜薄且致密,厚度仅为原始表面氧化膜的1/4,使钝化以后的氧化速率比原始表面低,总的氧化增重仅为原始表面的1/3,耐氧化性大大提高。其原因是表面自身纳米化处理增加了表层的晶界面积,提高了氧化物的形核几率,也为元素的扩散提供了更多通道,因而促进了Cr元素的选择性氧化。在最表层形成的是疏松的富Fe氧化物,该层氧化物对耐氧化性的提高贡献不大,在靠近基体的底层形成致密的富Cr氧化物,能很好地抵抗基体的进一步氧化;纳米表层比原始表面更容易形成连续的氧化膜,该氧化膜的内应力小,韧性好,与基体的结合力强。

高能喷丸对工业纯钛钎焊的影响

通过高能喷丸方法在工业纯钛表面制备了纳米表层,选择B-Ag40CuZnCdNi钎料对纳米化前后的纯钛进行了不同工艺的钎焊,借助微观组织分析和抗剪强度测定研究了表面自身纳米化对工业纯钛钎焊过程的影响。结果表明:用B-Ag40CuZnCdNi钎料钎焊工业纯钛时,表面自身纳米化预处理提高了母材表面的活性,促进了纯钛母材向液态钎料中的溶解,低温短时焊接时对接头性能提高有利,接头强度比未预处理时提高了13.8%。焊接温度超过650℃后,母材纳米表层的高活性使界面区的金属间化合物层增厚,接头性能反而下降;由于在焊接温度下元素的固态扩散不易进行,纳米化前处理对液态钎料中的元素向母材扩散的影响不明显;母材纳米化前处理后,钎焊时通过降低焊接温度和缩短保温时间,既可发挥纳米表层有益特性,同时避免不利影响。