金屬材料表面納米化優(yōu)勢(shì)及主要方法

隨著納米材料研究的不斷深入與納米技術(shù)的發(fā)展，將表面改性與納米材料相結(jié)合來(lái)制備納米材料受到了人們的重視，其特點(diǎn)是通過(guò)提高材料表面性能來(lái)提高構(gòu)件服役性能。表面納米化技術(shù)被認(rèn)為是今后一段時(shí)間可將納米材料應(yīng)用于工程實(shí)際的最重要技術(shù)之一。

一、什么是納米材料

納米結(jié)構(gòu)材料是指結(jié)構(gòu)單元尺度(如多晶材料中的晶粒尺寸)在納米量級(jí)的材料，其顯著結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是含有大量晶界或其他界面，從而表現(xiàn)出一些與普通粗晶結(jié)構(gòu)材料截然不同的力學(xué)和物理化學(xué)性能。

納米結(jié)構(gòu)材料通常具有很高的強(qiáng)度和硬度，伴隨著強(qiáng)度和硬度的顯著提高，納米結(jié)構(gòu)材料的塑性和韌性顯著降低、加工硬化能力消失、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，這些性能的惡化制約了納米結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。最新研究表明，通過(guò)對(duì)納米結(jié)構(gòu)的多級(jí)構(gòu)筑（表層納米材料）可以在有效克服納米結(jié)構(gòu)的性能缺點(diǎn)的同時(shí)發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。

二、表面納米化有哪些優(yōu)勢(shì)

1、硬度和強(qiáng)度的提升

晶粒大小與多晶金屬材料力學(xué)性能有密切的聯(lián)系。表面納米化使材料表面(和整體)的力學(xué)和化學(xué)性能得到不同程度的改善。表面納米晶層的硬度顯著提高，并隨著深度的增加而逐漸減?。慌c顯微組織未發(fā)生變化的心部相比，表面硬度可提高幾倍，表面以下亞微晶層的硬度也明顯增大。對(duì)于晶粒尺寸從幾到幾百微米的普通晶體材料，強(qiáng)度和硬度與晶粒尺寸的大小之間的關(guān)系，可以用傳統(tǒng)的Hall-Petch 關(guān)系來(lái)描述。

左圖可見(jiàn)與未發(fā)生變化的心部組織比，表面硬度提高了兩倍以上。由納米晶層（從表面到約40μm 深度）到亞微晶層（40-80μm 深度），硬度逐漸減小，并趨于穩(wěn)定；從右 圖可見(jiàn)，硬度隨d-1/2 增大幾乎呈線性增加的。因此可以確定表面納米化對(duì)材料的強(qiáng)化有著一定的貢獻(xiàn)，納米材料的硬度亦隨著晶粒尺寸的減小而增大。

2、摩擦磨損性能的改善

表面納米化有效提高了材料表面硬度，因此也有助于改善材料的摩擦磨損性能，由于機(jī)械加工處理引起的表面粗糙度的增加對(duì)材料的低載荷耐磨性產(chǎn)生不利的影響。隨著載荷的增加，未處理材料的磨損量急劇增大，而表面納米化材料的磨損量變化卻很小。

注：SMAT為某項(xiàng)表層納米化技術(shù)

(a)為低碳鋼表面納米化前后試樣的磨損量，可見(jiàn)在不同載荷下，納米晶組織的形成能夠改善材料的耐磨性；（b）圖是摩擦因數(shù)的變化，在任一載荷下，表面納米化試樣的表面摩擦系數(shù)都明顯低于原始試樣?？梢?jiàn)表面納米化能夠明顯地提高高載荷下材料的耐摩擦磨損性能。

表面納米化后試樣摩擦磨損行為的提高主要源于兩方面的原因：一方面是因?yàn)榧{米晶具有高的強(qiáng)度和硬度，磨粒壓入表層的深度小，配副相對(duì)試樣表面運(yùn)動(dòng)的阻力較小，所以表面納米化試樣的磨損量均比原樣?。涣硪环矫媸且?yàn)楸砻婕{米晶組織能有效地抑制裂紋的萌生，而心部的粗晶組織又可以阻止裂紋的擴(kuò)展，因此在相同載荷下表面納米化試樣較原始粗晶試樣更難發(fā)生疲勞磨損。

3、表面化學(xué)活性增強(qiáng)

研究發(fā)現(xiàn)，納米晶體材料（或者納米結(jié)構(gòu)材料）中原子的擴(kuò)散激活能更低，其相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)更高，這是由納米材料中晶界體積所占比例的提高引起的。盧柯院士研究組對(duì)純鐵進(jìn)行表面納米化處理后，進(jìn)行滲氮，發(fā)現(xiàn)滲氮?jiǎng)恿W(xué)條件明顯得到改善。在傳統(tǒng)的粗晶粒鐵中滲氮時(shí)，晶格擴(kuò)散占主導(dǎo)地位，而在納米晶鐵中滲氮主要沿著晶界進(jìn)行，這是因?yàn)榫Ы绲募せ钅芨?。通過(guò)表面納米化，在表面納米層中形成了大量的儲(chǔ)能，在低溫下使?jié)B氮有足夠的驅(qū)動(dòng)力。

納米化改變了材料表面的結(jié)構(gòu)，有助于大幅度地提高材料表面化學(xué)元素的滲入濃度和深度。表面納米化為納米技術(shù)與有色金屬常規(guī)材料相結(jié)合提供了切實(shí)可行的途徑，巧妙地避開(kāi)了制備塊體納米材料遇到的技術(shù)難題，將在工業(yè)中發(fā)揮巨大的開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力。

三、金屬材料表面納米化主要方法

表面機(jī)械處理法是實(shí)現(xiàn)金屬材料表面納米化的一種主要方法。該方法在材料的表面重復(fù)作用外加載荷，使材料表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形來(lái)細(xì)化晶粒。常用的方法有：

    1）超聲噴丸技術(shù)。該技術(shù)是將大量的球形彈丸放置于一個(gè)U型容器中，容器的上部固定樣品，下部連接著振動(dòng)發(fā)生裝置，通過(guò)激發(fā)彈丸，高速碰撞試樣表面，使之產(chǎn)生強(qiáng)烈塑性變形，最終實(shí)現(xiàn)納米化。目前，超聲噴丸法已成功應(yīng)用于316L不銹鋼、低碳鋼等材料。

    2）超音速微粒轟擊技術(shù)。該技術(shù)利用氣-固雙相流作為載體，用超音速氣流(氣流速可達(dá)300～1200m/s)攜帶硬質(zhì)固體微粒以極高的動(dòng)能轟擊有色金屬表面使其產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，將晶粒細(xì)化到納米量級(jí)。與其他方法相比較，該方法具有工作效率高，設(shè)備靈活性強(qiáng)，固體微?？苫厥罩貜?fù)使用，無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，已成功對(duì)16MnR低合金鋼及0Cr18Ni9不銹鋼進(jìn)行了表面納米化處理。

    3）表面機(jī)械碾磨技術(shù)。該技術(shù)是依靠半球狀的刀具尖端以一定的速度在圓柱狀的試樣上旋轉(zhuǎn)，同時(shí)沿著水平方向滑動(dòng)，使金屬料料表面產(chǎn)生塑性變形區(qū)，從而細(xì)化晶粒。該方法適合于在棒狀材料的表面制備納米-微米結(jié)構(gòu)梯度表面層，解決了棒材的加工問(wèn)題。

    除了機(jī)械處理法之外如今金屬表面納米涂料逐漸成為新的方向和方法，通過(guò)在金屬表面涂覆一層超薄透明納米涂料，使金屬材料表面具有抗氧化防腐蝕防污防銹等性能，金屬表面納米涂層使得施工更簡(jiǎn)單，表面納米化通過(guò)改變材料表面組織和結(jié)構(gòu)，使得金屬材料的表面性能以致整個(gè)材料的綜合性能獲得顯著的提高。