豪克能金屬表面強化工藝，可以在金屬表層微觀構(gòu)造上實現(xiàn)表面納米化。這種技術(shù)對金屬材料性能影響深遠(yuǎn)，這篇論文很好的總結(jié)了金屬表面納米化技術(shù)的原理和具體影響。
 

作者：
樊志罡 朱其芳 馬通達

北京有色金屬研究總院
 

摘要:
綜述了表面納米化技術(shù)的原理和發(fā)展歷程,介紹了表面納米化技術(shù)對金屬材料的疲勞性能和耐蝕性的影響,闡述和總結(jié)了在該領(lǐng)域中各研究者的觀點。認(rèn)為表面納米層中品粒細(xì)化及殘余應(yīng)力對材料性能的影響起到重要作用,超聲沖擊表面納米化技術(shù)會在醫(yī)用植入材料領(lǐng)域得到良好應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:
超聲沖擊；表面納米化；金屬材料腐蝕疲勞；豪克能表面強化
 

中圖分類號:TG174.4文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1002-6495(2014)03-0265-04

 

      表面納米化是利用各種物理或化學(xué)方法,將材料表層晶粒細(xì)化至納米量級,在材料上制備納米尺度的表層,利用納米結(jié)構(gòu)的特殊性,在不改變材料基體性能的同時改善材料表面性能。金屬材料在工業(yè)中的應(yīng)用極其廣泛,金屬材料失效造成的損失是巨大的。眾所周知,在實際工況中,金屬材料的失效形式主要有斷裂、腐蝕和磨損,這些失效形式一般都起源于材料的表面,因此對于金屬材料的表面改性十分重要。從這個角度來看,表面納米化技術(shù)是對材料表面的組織和性能進行強化以期提高材料整體性能的一種有效手段。常見的表面納米化手段有:表面涂層或沉積、表面納米化以及表面納米化與化學(xué)處理相結(jié)合的混合方式。表面涂層或沉積方法是在制備出納米尺度的顆粒后,將其固結(jié)在材料表面以形成納米結(jié)構(gòu)表層。表面納米化是對多晶材料采用非平衡處理方法增加材料表面自由能,使粗晶組織逐步細(xì)化至納米量級。混合方式則是將表面自納米技術(shù)與化學(xué)處理相結(jié)合,在納米結(jié)構(gòu)表層形成時,對材料進行化學(xué)處理,在材料表面形成于基體成分不同的固溶體或化合物。

 

表面納米化技術(shù)介紹
 

      20世紀(jì)末,盧柯研究組"在前人的研究基礎(chǔ)上提出了金屬塊體材料表面納米化(SNC)概念。表面納米化技術(shù)其原理是運用外加載荷重復(fù)作用于材料表面,增加多晶體金屬材料表面的自由能,使表面組織產(chǎn)生不同方向的強烈塑性變形而逐漸將材料表層的粗晶組織細(xì)化至納米量級。該技術(shù)具有工藝簡單、成本低、易于實現(xiàn);納米層結(jié)構(gòu)致密,化學(xué)成分與基體相同;納米層具有梯度結(jié)構(gòu),不易剝離等優(yōu)點。目前比較成功的材料表面納米化方法有:表面機械研磨處理(SMAT)、超聲噴丸(USSP)、氣動噴丸(AB-SP)、超音速嗩丸處理(SFPB)、旋轉(zhuǎn)輪壓塑性變形法(CRPD)和超聲沖擊技術(shù)(USRP)等。通過表面納米化方法獲得的表面納米層與基體沒有明顯的界線，能明顯提高材料表面及整體性能。近年來,表面納米化改性的研究內(nèi)容由對材料硬度、力學(xué)性能P、耐磨性P的描述逐漸發(fā)展為晶粒細(xì)化機制研究4疲勞性能5腐蝕性能R和腐蝕磨損性能T、熱穩(wěn)定性的研究3,還引入了有限元分析,使整個研究更為豐富。
 

      在上述自納米化技術(shù)中,超聲沖擊技術(shù)最初作為一種消除焊接殘余應(yīng)力,提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的有效工藝0'。超聲沖擊表面納米化處理是一種沖擊式壓力光整加工方法,其實質(zhì)是通過引入功率超聲頻機械振動而對傳統(tǒng)表面壓光工藝進行巧妙而合理的改良,超聲沖擊的工作原理如下:通過超聲表面納米化加工處理工作頭沿表面法線方向向工件施加一定幅度的超聲頻機械振動,并在一定靜壓力和進給速度下,工作頭將壓力和超聲沖擊振動傳遞給處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)被加工處理的機械零部件表面,利用金屬在常溫狀態(tài)下的冷縮性特點使材料產(chǎn)生彈塑性變形，當(dāng)沖擊頭通過工件后,工件表面產(chǎn)生一定的彈性恢復(fù)﹐沖擊頭擠壓所產(chǎn)生塑性流動將工件表面原有的微觀波峰壓平,使其填充到波谷位置提高了金屬表面的綜合性能指標(biāo)。
 

      超聲沖擊技術(shù)早期由Morduyk""應(yīng)用于材料表面納米化上。超聲沖擊表面納米化利用高頻振動的沖頭均勻等速地作用于材料表面,使材料表面組織產(chǎn)生不同方向的強烈塑性變形,逐漸將材料表層的粗晶組織細(xì)化至納米量級。材料自身塑性變形形成的表面納米層與基體無明顯界限且結(jié)合良好,處理后材料表面致密光滑﹐能夠有效抑制凹凸表面帶來的電偶腐蝕和應(yīng)力集中,有益于改善材料的綜合性能。目前超聲沖擊表面納米化技術(shù)的研究方向主要是:硬度,疲勞性能,耐磨損性能﹐晶粒細(xì)化機制的研究,其中超聲沖擊表面納米化處理改善焊接接頭疲勞性能的研究取得了較大進展,研究表明超聲沖擊表面納米化可細(xì)化焊接接頭表面顯微結(jié)構(gòu),提高材料焊接結(jié)構(gòu)的綜合服役性能,材料表面晶粒細(xì)化及殘余壓應(yīng)力有益于改善疲勞性能。