UNSM技术在滚动轴承滚道修复中的应用与研究

介绍了超声表面纳米化（UNSM）技术表面修复的工作原理。采用UNSM技术修复滚动轴承内外圈的滚道。通过光学显微镜、硬度仪、表面粗糙度仪和X射线衍射仪分析经UNSM技术修复的轴承内外圈滚道。结果表明,修复后的轴承内外圈滚道表面形貌得到改善。内圈滚道表面粗糙度从2.32μm降低至0.1μm,外圈滚道表面粗糙度从2.38μm降低至0.18μm;滚道表面硬度显著提高。内圈滚道最大残余压应力从-170 MPa提高至-530 MPa,且残余压应力的影响层可达60μm。

超声纳米晶体表面改性对304不锈钢显微组织和性能的影响

采用超声纳米晶体表面改性(ultrasonic nanocrystal surface modification, UNSM)技术对304不锈钢进行表面强化处理,研究UNSM对不锈钢微观组织和力学性能的影响。通过透射电子显微镜(TEM),电子背散射衍射(EBSD)等表征方法,分析处理前后304不锈钢的微观组织演变和塑性变形机制。利用白光干涉仪和显微硬度仪等手段,研究UNSM对材料表面粗糙度、显微硬度及残余应力的影响。结果表明:经UNSM处理后,304不锈钢表面发生严重塑性变形,导致位错密度增加,晶粒明显细化,并在近表面产生纳米细晶,形成约300μm深的硬化层。形变诱导奥氏体向马氏体转变,在表面引入约900 MPa的残余压应力,材料显微硬度从基材的238HV提高至511HV,表面完整性得到显著改善。

超声纳米晶表面改性对选区激光熔化316L不锈钢微观结构和力学性能的影响

目的改善选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)316L不锈钢的表面完整性和力学性能。方法采用超声纳米晶表面改性(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification,UNSM)这一新兴表面塑性变形方法对SLM 316L不锈钢进行超声冲击强化,利用维氏硬度计、扫描电镜、白光干涉仪、EBSD、XRD等对处理前后材料的表面完整性、微观组织演变和塑性变形行为进行表征和分析。结果经过UNSM处理后,SLM 316L不锈钢的微观缺陷明显减少,初始未熔合孔隙发生闭合,表面粗糙度Ra由5.374μm降至0.510μm,表面硬度从230HV增至461.16HV;同时,材料表层发生了剧烈的塑性变形,形变诱导材料微观组织从γ相向α相转变,微观结构由初始不规则柱状粗晶转变为等轴状细晶。从EBSD表征结果可知,在材料表面形成了深度约为20μm的梯度纳米晶,材料内部存在明显的不均匀变形;与初始SLM试样相比,通过UNSM处理在材料表面引入了最大为932 MPa的残余压应力。结论超声纳米晶表面改性能够显著改善SLM 316L不锈钢的表面完整性,形成较深的晶粒细化层和残余应力硬化层,从而有效提高其耐腐蚀性和疲劳抗性,是一项有前景的SLM后处理技术。

超声表面冲击对Ti6Al4V生物相容性的影响

钛合金植入物与人骨弹性模量相差较大,易产生应力遮挡而导致假体松动和骨质变化,临床上虽然在钛合金假体表面镀生物活性膜,但膜厚度仅数微米,有必要研究能同时提高植入物组织相容性和生物力学性能,又降低应力遮挡效应的方法。在静荷载25 N、振幅30μm、冲击数36 000次/mm2下对Ti6Al4V钛合金进行超声表面冲击强化(UNSM)处理,对UNSM处理后的表面形貌、强塑性变形层(表面纳米层)、模拟体液中的极化曲线、腐蚀形貌、表面沉积物、预腐蚀两周后的疲劳行为、纤维软骨细胞的黏附等进行分析,并与复合表面(UNSM+TiN镀膜)处理试样进行对比。结果表明:超声冲击后表层获得约40μm深的纳米晶层;尽管冲击后Ti6Al4V表面的腐蚀电流密度和点腐蚀增强了,但模拟体液预浸泡两周后Ti6Al4V钛合金108周次的疲劳强度仍被显著提升;内部裂纹均萌生于100~250μm深的粗晶变形层内,因为该粗晶变形层内残余压应力迅速减小,塑性和韧性较表面纳米层低;经模拟体液浸泡后,纳米表面形成的钙磷沉积物结节显著增多;表面积的增加和合适的表面粗糙度促进了软骨纤维细胞的早期黏附;UNSM处理后再覆盖Ti N膜能进一步提升Ti6Al4V的生物相容性。纳米晶弹性模量的减小和晶粒尺寸的梯度变化有助于对抗应力遮挡,复合表面纳米化技术对金属植入物的发展有积极的意义。

超声表面冲击及喷丸强化后TC4钛合金的生物相容性

分别在静荷载25 N、振幅30μm、冲击数36 000次/mm2的条件下对TC4钛合金进行超声表面冲击强化(UNSM)处理、采用传统喷丸技术(硬度45~50 HRC且直径1 mm的钢丸,阿尔门强度0.10~0.15 mm A,覆盖率100%)对TC4进行喷丸处理,然后对比研究两种工艺对TC4生物相容性的影响,包括体液腐蚀行为、表面钙磷的矿化沉积及纤维软骨细胞早期黏附行为,并对处理后TC4钛合金的表面形貌、极化曲线、腐蚀形貌、细胞黏附等进行分析.结果表明:超声冲击可让TC4维持较好的平整度,而喷丸使材料表面粗糙度明显增加;UNSM处理和喷丸处理均在TC4表面产生点腐蚀坑,UNSM处理后的表面点腐蚀坑最多,而喷丸处理后TC4的耐体液腐蚀性能最差;两种表面处理均可增强TC4表面钙磷元素的沉积,且两种表面处理均可增进纤维软骨细胞的早期黏附,UNSM作用更佳.