豪克能金属表面强化工艺，可以在金属表层微观构造上实现表面纳米化。这种技术对金属材料性能影响深远，这篇论文很好的总结了金属表面纳米化技术的原理和具体影响。
 

作者：
樊志罡 朱其芳 马通达

北京有色金属研究总院
 

摘要:
综述了表面纳米化技术的原理和发展历程,介绍了表面纳米化技术对金属材料的疲劳性能和耐蚀性的影响,阐述和总结了在该领域中各研究者的观点。认为表面纳米层中品粒细化及残余应力对材料性能的影响起到重要作用,超声冲击表面纳米化技术会在医用植入材料领域得到良好应用。

关键词:
超声冲击；表面纳米化；金属材料腐蚀疲劳；豪克能表面强化
 

中图分类号:TG174.4文献标识码:A文章编号:1002-6495(2014)03-0265-04

 

      表面纳米化是利用各种物理或化学方法,将材料表层晶粒细化至纳米量级,在材料上制备纳米尺度的表层,利用纳米结构的特殊性,在不改变材料基体性能的同时改善材料表面性能。金属材料在工业中的应用极其广泛,金属材料失效造成的损失是巨大的。众所周知,在实际工况中,金属材料的失效形式主要有断裂、腐蚀和磨损,这些失效形式一般都起源于材料的表面,因此对于金属材料的表面改性十分重要。从这个角度来看,表面纳米化技术是对材料表面的组织和性能进行强化以期提高材料整体性能的一种有效手段。常见的表面纳米化手段有:表面涂层或沉积、表面纳米化以及表面纳米化与化学处理相结合的混合方式。表面涂层或沉积方法是在制备出纳米尺度的颗粒后,将其固结在材料表面以形成纳米结构表层。表面纳米化是对多晶材料采用非平衡处理方法增加材料表面自由能,使粗晶组织逐步细化至纳米量级。混合方式则是将表面自纳米技术与化学处理相结合,在纳米结构表层形成时,对材料进行化学处理,在材料表面形成于基体成分不同的固溶体或化合物。

 

表面纳米化技术介绍
 

      20世纪末,卢柯研究组"在前人的研究基础上提出了金属块体材料表面纳米化(SNC)概念。表面纳米化技术其原理是运用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。该技术具有工艺简单、成本低、易于实现;纳米层结构致密,化学成分与基体相同;纳米层具有梯度结构,不易剥离等优点。目前比较成功的材料表面纳米化方法有:表面机械研磨处理(SMAT)、超声喷丸(USSP)、气动喷丸(AB-SP)、超音速唢丸处理(SFPB)、旋转轮压塑性变形法(CRPD)和超声冲击技术(USRP)等。通过表面纳米化方法获得的表面纳米层与基体没有明显的界线，能明显提高材料表面及整体性能。近年来,表面纳米化改性的研究内容由对材料硬度、力学性能P、耐磨性P的描述逐渐发展为晶粒细化机制研究4疲劳性能5腐蚀性能R和腐蚀磨损性能T、热稳定性的研究3,还引入了有限元分析,使整个研究更为丰富。
 

      在上述自纳米化技术中,超声冲击技术最初作为一种消除焊接残余应力,提高焊接结构疲劳强度的有效工艺0'。超声冲击表面纳米化处理是一种冲击式压力光整加工方法,其实质是通过引入功率超声频机械振动而对传统表面压光工艺进行巧妙而合理的改良,超声冲击的工作原理如下:通过超声表面纳米化加工处理工作头沿表面法线方向向工件施加一定幅度的超声频机械振动,并在一定静压力和进给速度下,工作头将压力和超声冲击振动传递给处于旋转状态被加工处理的机械零部件表面,利用金属在常温状态下的冷缩性特点使材料产生弹塑性变形，当冲击头通过工件后,工件表面产生一定的弹性恢复﹐冲击头挤压所产生塑性流动将工件表面原有的微观波峰压平,使其填充到波谷位置提高了金属表面的综合性能指标。
 

      超声冲击技术早期由Morduyk""应用于材料表面纳米化上。超声冲击表面纳米化利用高频振动的冲头均匀等速地作用于材料表面,使材料表面组织产生不同方向的强烈塑性变形,逐渐将材料表层的粗晶组织细化至纳米量级。材料自身塑性变形形成的表面纳米层与基体无明显界限且结合良好,处理后材料表面致密光滑﹐能够有效抑制凹凸表面带来的电偶腐蚀和应力集中,有益于改善材料的综合性能。目前超声冲击表面纳米化技术的研究方向主要是:硬度,疲劳性能,耐磨损性能﹐晶粒细化机制的研究,其中超声冲击表面纳米化处理改善焊接接头疲劳性能的研究取得了较大进展,研究表明超声冲击表面纳米化可细化焊接接头表面显微结构,提高材料焊接结构的综合服役性能,材料表面晶粒细化及残余压应力有益于改善疲劳性能。