金屬表面納米化材料重要性能研究進展

潘高峰　龐景和　王成

摘要：本文對金屬材料表面納米化處理后的材料性能研究進行了論述，主要從力學性能和物理化學性能方面對性能研究進行了歸納和總結(jié)，并對表面納米化材料性能進行展望。

關(guān)鍵詞：納米表面化；性能，進展

中圖分類號：G17；TB33

文獻識別碼：A

文章編號：1001-828X（2016）036-000330-02

納米材料被定義為物理尺度在1-100nm范圍內(nèi)的一類材料，結(jié)構(gòu)特征較為獨特，決定了納米材料具有較好的力學性能，且物理化學性能較為突出。二十世紀末期，我國首先明確了金屬表面納米化這一重要概念，并將納米表層結(jié)構(gòu)構(gòu)造于金屬材料上，并具有提高金屬材料的某些力學性能等潛在應用價值，因納米結(jié)構(gòu)特性，使得金屬材料的抗疲勞、耐磨、耐腐蝕等許多性能得以改善和提高，因此，近年來形成了廣泛的研究金屬表面納米化的熱潮?；谝陨戏治?，筆者對金屬表面納米化材料的重要性能展開了全面探討，并對其性能的未來發(fā)展進行了展望。

一、表面納米化材料的力學性能

將納米化材料運用于金屬表面，能夠通過納米層的形成對金屬層組織機構(gòu)產(chǎn)生一定的改良作用，使金屬表層厚度與硬度有所增加，再加上金屬材料內(nèi)層的塑性非常強，使金屬材料的整體力學性能得以明顯提升與改善。Liu等人通過拉伸試驗表明，對低碳鋼表面進行納米化處理后，在伸長率、屈服強度等方面均明顯改善，與納米化處理之前相比較來看，低碳鋼的屈服強度提升了至少30%，在斷裂延伸率上能夠保持不變；閆鵬勛等通過對磁過濾等離子體設備的研制，于正常室溫環(huán)境中將納米結(jié)構(gòu)TiN薄膜制備在不銹鋼表面，結(jié)果顯示TiN晶粒尺寸在30-50nm，沉積的TiN薄膜表面非常平整光滑，硬度遠高于粗晶TiN硬度；Chen等對316奧氏體不銹鋼進行了表面機械研磨納米化加工，拉伸試驗證明處理后試樣的屈服強度高達是未處理試樣屈服強度的2倍；王志平等人通過對超音速微粒轟擊技術(shù)的充分運用，實現(xiàn)了對16MnR低合金鋼焊接接頭與OCrl8Ni9Ti不銹鋼表面的納米化處理，研究顯示，相對于樣品芯部而言，經(jīng)納米化處理，母材、焊縫處以及熱影響區(qū)的表層硬度發(fā)生了明顯提升，甚至硬度提升至2倍。

二、表面納米化金屬材料的抗疲勞性

通常情況下，對金屬鍍層表面疲勞性能產(chǎn)生制約的主要原因，第一，表面薄層在基體與界面上會產(chǎn)生拉應力而更趨于產(chǎn)生裂紋；第二，表面細化晶?？梢宰柚沽鸭y產(chǎn)生，但不利于阻止裂紋的擴展。表面納米化是將材料的表層晶粒細化至納米尺度而基體仍然保持原粗晶狀態(tài)，金屬材料進過納米化處理后，表面形成的納米晶組織結(jié)構(gòu)能有效的抑制裂紋的萌生，而基體的粗晶組織結(jié)構(gòu)又能組織裂紋的縱向擴展，從而提高材料的抗疲勞性能。如Wang等采用表面機械研磨的方法在低碳鋼表面制得一層納米晶層，在不同載荷條件下并證明其耐磨損性明顯提高，摩擦系數(shù)減小。Roland等采用表面機械研磨法對316L不銹鋼進行納米化處理，研究表明在表面層產(chǎn)生了殘余壓應力，納米晶組織阻止了位錯的運動，延緩了裂紋形核，從而提高了材料的疲勞壽命；何柏林等對16MnR焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)（納米化）十字接頭進行了疲勞性能的對比試驗，結(jié)果表明沖擊態(tài)十字接頭的條件疲勞極限相對于焊態(tài)時的提高了49%左右，接頭的疲勞壽命延長了45-52倍。金屬材料表面的納米化處理有助于提高其抗疲勞性能，疲勞性能對材料的表面結(jié)構(gòu)和性能非常敏感，在工程上應用的金屬材料功能失效多數(shù)發(fā)生在材料的表面，所以，對金屬材料表面的納米化處理，能夠?qū)ζ浔砻娼Y(jié)構(gòu)進行有效改善，并改進其整體性能。

三、表面納米化對材料抗腐蝕性

金屬材料表面經(jīng)過納米化處理后，電化學穩(wěn)定性直接關(guān)系到其使用的安全性和長久性。表面納米化處理改變了材料表面的組織結(jié)構(gòu)，表面的納米晶組織具有大的比表面積，擁有大量的亞穩(wěn)定態(tài)晶界，晶界能量較高，表面活性較強，原子數(shù)較多，對周圍環(huán)境比較敏感，活性金屬參與腐蝕反應的活性原子增加，使材料易于發(fā)生腐蝕反應，可以通過迅速鈍化來阻止其腐蝕進程，因此對金屬材料的防腐有促進作用。而對于惰性金屬，表面更易形成致密的鈍化膜，反而可以提高材料的抗腐蝕性能。如王吉孝等采用超音速微粒轟擊技術(shù)對16MnR低合金鋼焊接接頭表面進行納米化處理，表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)表層晶粒尺寸平均為12.6nm，通過抗硫化物應力腐蝕開裂恒負荷拉伸試驗，顯著提高了抗硫化物應力腐蝕性能；陸曉峰等對CrSMo鋼表面采用超聲噴丸技術(shù)進行納米化處理，研究了納米化處理前后試樣在含H2S流動去離子水溶液中的流動加速腐蝕狀況，實驗結(jié)果表明納米化處理后材料的抗流動加速腐蝕性能明顯增強，材料表面生成了致密的腐蝕產(chǎn)物膜，但隨著納米化處理時間的推移，在表面容易產(chǎn)生溝壑，增加粗糙度甚至出現(xiàn)微裂紋，這都會破壞腐蝕產(chǎn)物膜的完整性和致密性，從而使材料腐蝕性能下降；王天生等用噴丸表面納米化處理1Crl8Ni9Ti不銹鋼試樣，并在3.5%NaCl溶液中的腐蝕性能進行了試驗，結(jié)果表明試樣的極化行為得到了顯著改善。

四、表面納米化對材料的熱穩(wěn)定性

表面納米化材料的納米晶層是一種非平衡狀態(tài)，表面納米化層的熱穩(wěn)定性一直都是科研人員研究的熱點，也是關(guān)系到表面納米化技術(shù)能否實際應用的一個重要問題。如柳文波等通過表面機械研磨處理在低活化鐵素體鋼的表面形成了一層納米晶，經(jīng)550°C的回火實驗結(jié)果顯示納米晶具有良好的熱穩(wěn)定性，回火120min后的晶粒異常長大，回火240min后的晶粒比較均勻（約250nm），納米化過程中碳化物被細化；葛利玲等采用超音速微粒轟擊技術(shù)對0Crl8Ni9不銹鋼試樣進行了表面納米化處理，并對試樣進行熱處理和低溫氣體滲氮處理，結(jié)果表明，納米化試樣表層形成厚約250um的變形區(qū)，表面組織為納米晶，變形同時表面發(fā)生了馬氏體相變，表面硬度明顯提高，試樣經(jīng)450°C熱處理后，納米晶未發(fā)生明顯粗化，馬氏體量減少很小，硬度保持穩(wěn)定，因而具有良好的熱穩(wěn)定性，晶粒細化、馬氏體相變及其良好的熱穩(wěn)定性有利于實現(xiàn)低溫快速滲氮，使?jié)B層厚度明顯增加，表層硬度得到進一步提高，硬度分布梯度也得到了改善；胡蘭青等利用高能噴丸技術(shù)在A1-Zn-Mg合金上制備出納米晶結(jié)構(gòu)表層，結(jié)果表明高能噴丸處理后，在樣品表層獲得了等軸、隨機取向的納米晶粒，表層納米晶結(jié)構(gòu)層在250°C真空退火后，有大量納米級析出相析出，晶粒長至300nm左右，表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性。盡管如此，納米材料的晶粒長大機理分廠復雜，除了晶粒穩(wěn)定性因素外，界面能降低、晶格畸變等也是影響納米晶體熱穩(wěn)定性的重要因素，還需要對納米材料熱穩(wěn)定性的影響機制進一步深入研究。

五、表面納米化材料性能的未來展望

現(xiàn)如今，科學技術(shù)不斷更新與進步，納米表面化技術(shù)也獲得快速發(fā)展，通過對金屬材料表面的納米化處理，對其表面特性進行改善，在使材料表面獲得較高的力學性能、物理化學性能的基礎上，人們開始對納米涂層自身的獨特性能引起越來越多的關(guān)注，可以說，納米化技術(shù)的應用，使金屬材料及其器件的生產(chǎn)方法發(fā)生相應變化。就納米尺度而言，通過對其尺寸的有效把控對金屬材料表面的性能進行有效改善，進而使其形成性能優(yōu)良、功能獨特的宏觀結(jié)構(gòu)。就目前階段而言，對金屬材料納米化處理的研究尚處于初級階段，且研究理論并不成熟，就當前研究理論而言還存在些許問題，要想進一步將納米化技術(shù)廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，還需要很長的一段路去走。因此，應不斷進行技術(shù)更新，創(chuàng)新發(fā)展理念，不斷順應時代的發(fā)展潮流，以此創(chuàng)新對納米技術(shù)的科學運用與研發(fā)。