金属表面纳米化

表面自身纳米化及其研究进展

摘要：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问没有明砬的界面，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。

关键词：表面自身纳米化；性能；应用

前言

很多丁程上的应用只需要改善材料的表面性能．就可以提高整个材料的综合服役性能和使用寿命，因为材料的失效一般源于材料的表面，如材料的疲劳、磨蚀疲劳、腐蚀、摩擦磨损等。另外，为了改进一些常见的材料加丁工艺，如材料的表面渗氮、渗铬，异种金属材料的固态扩散焊接等，迫切需要改善材料的表面性能。显然，把纳米技术与表面改性技术相结合。实现材料的表面纳米化。将是一个非常有潜力的领域。近年来，徐滨士等【1-2】提出纳米表面工程的概念。为材料表面改性开创了新的途径。

表面纳米化处理是近几年表面强化方法研究的热点之一。这种技术将纳米晶体材料的优异性能与传统工程金属材料相结合，在工业应用上具有广阔的应用前景。众所周知，工程结构材料的失效多始于表面，而且材料的疲劳、腐蚀、磨损对材料的表面结构和性能很敏感。因此，表面组织和性能的优化就成为提高材料整体性能和服役行为的有效途径。1999年，h等⋯提出了金属材料表面自身纳米化(Suface

Self-Nanocrystallization，SNC)的概念，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不变。这种表面自身纳米化技术，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，另一方面又将纳米材料的优异性能应用到了传统工程材料的表面改性技术中。因此，这种新材料新技术具有很大的工业应用价值。目前，表面纳米化的研究主要集中于机械加工的方法。本文将简要介绍表面自身纳米化处理的技术特点以及对疲劳、腐蚀、磨损等性能的影响。

2 表面纳米化的基本原理与制备方法

在块状粗晶材料上获得纳米结构表层有3种基本方式[8] 表面涂层或沉积，表面自身纳米化和混合方式。

表面涂层或沉积，首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。

表面自身纳米化，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。表面自身纳米化技术与表面自身纳米化材料有很多独特之处：首先，表面自身纳米化采用常规的表面处理方法(或者对常规的处理方法进行略微的改造)即可实现，在

工业应用中不存在明显的技术障碍；其次，表面自身纳米化材料表面的晶粒尺寸在厚度方向沿梯度变化，表面自身纳米晶组织与基体组织之问不存在明显的界面，不会发生剥层和分离；第三，表面自身纳米化既适用于材料的整体，又可用于材料的局部改性。对比表面涂层或沉积，表面自身纳米化技术与利用表面涂层或沉积实现表面纳米化有着明显的区别，表面涂层或沉积纳米化是利用常规的表面涂层和沉积技术，如PVD、CVD、溅射、电镀和电解沉积等，将制备好的纳米颗粒固结在材料的表面，在材料表面形成一个与基体化学成分相同或不同的纳米结构表层。纳米结构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。

表面自身纳米化的制备原理简介

由非平衡过程实现表面自身纳米化主要有两种方法心】，即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和由其导致的纳米化的微观机理均存在着较大的差异。现在，绝大多数实现表面自身纳米化的方法主要是表面机械加工法。主要是表面机械加工处理方法原理简单，用常规的表面处理技术就可以实现，在具体的实验操作中易获得纳米层。表面机械加工法实现表面自身纳米化是一种非平衡处理方法，即外加载荷重复作用于材料表面，增加多晶体金属材料表面的自由能，使表面组织产生不同方向的强烈塑性变形而逐渐将材料表层的粗晶组织细化至纳米量级⋯。该方法的晶粒细化机理类似于早前提出的用强烈塑性变形法(Severe Plastic Deformation，SPD)制