材料表面工程结课论文

金属材料表面纳米化技术

摘要

材料表面纳米化技术是指在材料表面制备出一定厚度的纳米结构表层的方法。它的工艺设计必须满足以下三个条件：外加载荷必须足够大,使材料表面产生塑性变；外加载荷反复作用于材料的表面,保证表面积累足够大的塑性变形量;外加载荷与材料表面的接触必须光滑,避免材料表面发生损伤。本论文概述了金属材料表面纳米化研究的现状，包括表面纳米化的基本原理、制备方法、结构特征、功能特性以及应用等，并对表面纳米化研究的发展进行展望。

关键词金属材料表面纳米化结构性能研究进展应用

1前言

表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性和表面复合处理技术，改变固体金属表面或非金属表面的化学成分、组织结构、形态和应力状态等，以获得所需表面性能的系统工程。主要包括表面涂覆、表面改性和表面复合处理技术。表面工程的概念由英格兰伯明翰大学教授汤·贝尔于1983年首次提出，现已发展成为跨学科的边缘性、综合性、复合型学科。表面工程以最经济和最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构，或赋予材料一种全新的表面。一方面它可有效地改善和提高材料和产品的性能（耐蚀、耐磨、装饰性能），确保产品使用的可靠性和安全性，延长使用寿命，节约资源和能源，减少环境污染；另一方面还可赋予材料和器件特殊的物理和化学性能[1]。

工程金属材料在工业上用途广、用量大，利用纳米技术提高工程金属材料的综合性能和使用寿命有着巨大的应用潜力。自H．Gleiter教授利用金属蒸发冷凝一原位冷压成型法制备出纳米材料以来，人们又相继开发出多种制备方法，如非晶晶化法、机械研磨法和强烈塑性变形法等[2]。但是，由于制备工艺复杂、生产成本高和材料外形尺寸有限、内部存在界面污染、孔隙类缺陷多等因素的制约，现有的制备技术还未能在工程金属材料上取得实际应用。而在服役环境下，金属材料的失稳多始于表面，因此只要在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化，就可以通过表面组织和性能的优化提高材料的整体性能和服役行为[3]。

表面纳米化技术是对金属材料表面进行一定的处理，使其表面层组织细化至纳米量级，在块体金属表面获得一层（几十微米厚）的纳米晶组织。由于表面纳米化将使金属表面呈压应力状态，所以当金属受到拉应力时，压应力可抵消掉一部分或全部拉应力，从而减小裂纹扩展速率，提高金属材料抗疲劳性能。与其它纳米材料制备方法不同的是，表面纳米化采用常规表面处理技术或对表面处理技术进行改进即可实现。此外，表面纳米化材料的组织沿厚度方向呈梯度变化，这些技术在工业上应用并不存在明显的障碍；在使用过程中不会发生剥层和分离[4]。因此，这种新材料有着开发应用的潜力。最近，表面纳米化已引起国际同行的广泛关注，被认为是今后几年内纳米材料研究领域最有可能取得实际应用的技术之一。

2 表面纳米化的制备方法

在块状粗晶材料上获得纳米结构表层有3种基本方式：表面涂层或沉积、表面自身纳米化和混合方式[3].如图2.1所示。

2.1表面涂层或沉积

第一步先制备出具有纳米尺度的颗粒，再将这些颗粒固结在材料的表面，在材料上形成一个与基体化学成分相同(或不同)的纳米结构表层。这种材料的主要特征是：纳米结构表层内的晶粒大小比较均匀，表层与基体之间存在着明显的界面，材料的外形尺寸与处理前相比有所增加（图2.1（a））。

许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发、应用的潜力，如PVD、CVD、溅射、电镀和电解沉积等。通过工艺参数的调节可以控制纳米结构表层厚度和纳米晶粒的尺寸。整个工艺过程的关键是，实现表层与基体之间以及表层纳米颗粒之间的牢固的结合，并保证表层不发生晶粒长大。目前这些技术经不断的发展、完善，已经比较成熟。

图2.1表面纳米化的3种基本方式

2.2 表面自纳米化

对于多晶材料，采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能，使粗晶组织逐渐细化至纳米量级。这种材料的主要特征是：晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大，纳米结构表层与基体之间不存在界面，与处理前相比，材料的外形尺寸基本不变，如图2.1(b)。

由非平衡过程实现表面纳米化主要有两种方法：表面机械加工处理法和非平衡热力学法，不同方法所采用的工艺技术和由其所导致的纳米化的微观机理均存在着较大的差异。

(1) 表面机械加工处理法：在外加载荷的重复作用下，材料表面的粗晶组织通过不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐细化至纳米量级。这种由表面机械加工处理导致的表面自身纳米化的过程包括：材料表面通过局部强烈塑性变形而产生大量的缺陷，如位错、孪晶、层错和剪切带；当位错密度增至一定程度时，发生湮没、重组，形成具有亚微米或纳米尺度的亚晶，另外随着温度的升高，表面具有高形变储能的组织也会发生再结晶，形成纳米晶；此过程不断发展，最终形成晶体学取向呈随机分布的纳米晶组织。

图2.2表面机械加处理设备简图图2.3多方向载荷重复作用下，材料内部位错的分布在整个过程中，载荷的作用方式对组织演变影响很大，一种典型的表面机械加工处理设备如图2.2所示。在一个U 形容器中放置大量的球形弹丸，容器的上部固定样品，下部与振动发生装置相连，工作时弹丸在容器内部作高速振动运动，并以随机的方向与样品发生碰撞。对于单次碰撞来说，材料表面晶粒某些达到临界分切应力的滑移系可以开动、产生位错，如果弹丸的后序碰撞方向发生变化，就会促使晶粒其它的滑移系开动，图2.3。多滑移系的开动有助于位错的增殖、运动并加快纳米化的进程，因此在设计工艺时应尽可能地增加载荷的能量和碰撞的频率，并使其以随机的方向作用于材料的表面。

总体来说，能够使材料表面产生局部往复强烈塑性变形的表面处理技术都具有实现表面纳米化的潜力，其中比较成功的方法有：超声喷丸、表面机械加工技术和一些常规技术如普通喷丸、冲击和机械研磨等，利用这些技术已分别在纯铁、低碳钢和不锈钢等常规金属材料上制备出纳米结构表层[5-6]。另外，利用激光脉冲产生的冲击波也可以使材料发生强烈塑性变形，并促使晶粒细化[7]。不同的制备工艺和参数对纳米结构表层的厚度和纳米晶的尺寸有着重要的影响，而在一定的温度下进行表面处理或在材料上施加一定的应力则有可能加速纳米化的进程[8].

(2) 非平衡热力学法：将材料快速加热，使材料的表面达到熔化或相变温度，再进行急剧冷却，通过动力学控制来提高形核率、抑制晶粒长大速率，可以在材料的表面获得纳米晶组织。用于实现快速加热－冷却的方法主要有激光加热和电子辐射等。

2.3 混合方式

将表面纳米化技术与化学处理相结合，在纳米结构表层形成时、或形成后，对材料进行化学处理，在材料的表层形成与基体成分不同的固溶体或化合物，图1(c)。由于纳米晶的组织形成，晶界的体积分数明显增大，为原子扩散提供了理想的通道，因此化学处理更容易在低温下进行。

总之，表面机械加工处理导致的表面自身纳米化更具有开发应用的潜力，这一方面是由于表面机械加工处理法在工业上应用不存在明显的技术障碍，另一方面是由于材料的组织沿厚度方向呈梯度变化，在使用过程不会发生剥层和分离。因此，目前的表面纳米化研究多数集中在由表面机械加工处理导致的表面自身纳米化。

3 表面纳米化结构形成机理