金屬表面自身納米化.ppt

1、目錄,表面工程的發(fā)展,表面工程的發(fā)展大致分為三個(gè)階段： 第一階段，以單一表面工程技術(shù)的品種增加、工藝成熟為主要特征，包括堆焊、熱噴涂、電鍍、化學(xué)鍍、化學(xué)熱處理、離子注入、真空熔結(jié)、激光處理、電子束熔覆、PVD、CVD、黏涂、涂裝等，它們也稱為第一代表面工程技術(shù)。,第二階段，以復(fù)合表面工程技術(shù)的出現(xiàn)和協(xié)同創(chuàng)新為主要特征，起到“1+12”的協(xié)同效果，例如熱噴涂與激光重熔復(fù)合。這種復(fù)合表面工程技術(shù)又被成為第二代表面工程技術(shù)。 第三階段，以微納米材料和納米技術(shù)與傳統(tǒng)表面工程技術(shù)的結(jié)合和實(shí)用化為主要特征。目前已進(jìn)入實(shí)用階段的有納米電刷鍍、納米等離子噴涂、納米減摩自修復(fù)添加劑、納米固體潤(rùn)滑膜、微納米涂黏技

2、術(shù)以及表面納米化加工等。這就是第三代表面工程技術(shù)。,表面工程的發(fā)展,表面涂層與沉積,表面自納米化,混合方式,表面納米化制備原理和方法,表面納米化制備原理和方法,表面涂層或沉積 首先制備出具有納米尺度的顆粒再將這些顆粒固結(jié)在材料的表面在材料上形成一個(gè)與基體化學(xué)成分相同(或不同)的納米結(jié)構(gòu)表層。這種材料的主要特征是納米結(jié)構(gòu)表層內(nèi)的晶粒大小比較均勻表層與基體之間存在著明顯的界面材料的外形尺寸與處理前相比有所增加。許多常規(guī)表面涂層和沉積技術(shù)都具有開(kāi)發(fā)應(yīng)用的潛力 如PVD、CVD 濺射 電鍍和電解沉積等,表面自身納米化 對(duì)多晶材料，采用非平衡處理方法增加材料表面的自由能，使粗晶組織逐漸細(xì)化至納米最級(jí)。與

3、其他兩種方式相比，它有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)；表面納米層結(jié)構(gòu)致密，無(wú)孔隙、污染等缺陷，化學(xué)成分與基體相同：所得納米結(jié)構(gòu)表層因具有梯度結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中不易剝落、分離。,表面納米化制備原理和方法,混合方式 將表面納米化技術(shù)與化學(xué)處理相結(jié)合，在納米結(jié)構(gòu)表層形成時(shí)，對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)處理，在材料的表層形成與基體成分不同的固溶體或化合物。由于納米晶的組織形成，晶界的體積分?jǐn)?shù)明顯增大，為原子擴(kuò)散提供了理想的通道，因此化學(xué)處理更容易進(jìn)行。,表面納米化制備原理和方法,材料表面自身納米化,這里重點(diǎn)介紹材料表面自身納米化。 所謂表面自身納米化，就是不用外界物資，通過(guò)一些技術(shù)手段使其表面形成納米尺度。

4、 表面自身納米化是通過(guò)熱、相變、重結(jié)晶或機(jī)械的方法處理材料的表面舊，導(dǎo)致材料表面粗晶細(xì)化至納米量級(jí)，在材料的表面形成與基體化學(xué)成分相同的納米結(jié)構(gòu)表層，而材料整體的化學(xué)成分或相組成保持不變，主要特征是：隨距離處理表面深度的增加，表面層微觀結(jié)構(gòu)呈梯度變化一般納米材料表層與基體之間不存在明顯界面。,實(shí)現(xiàn)表面自生納米化主要有兩種方法即表面機(jī)械處理和非平衡加熱法。,(1)表面機(jī)械處理法：在外加載荷作用下，材料表面粗晶結(jié)構(gòu)通過(guò)強(qiáng)烈塑性變形而逐漸細(xì)化至納米量級(jí)。理論上，能夠使材料表面產(chǎn)生多方向強(qiáng)烈塑性變形的表面機(jī)械處理技術(shù)(如噴丸、滾壓等)都具有實(shí)現(xiàn)表面自生納米化的潛力。該方法的晶粒細(xì)化機(jī)理類似于早前提出的

5、用強(qiáng)烈塑性變形法(Severe Plastic Deformation，SPD)制備塊體納米晶材料的細(xì)化機(jī)理，主要是通過(guò)塑性變形以及位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)細(xì)化晶粒。,材料表面自身納米化,目前用的比較多、相對(duì)比較成熟的方法有：表面機(jī)械研磨處理(SmT)超聲噴丸(USSP)、高能?chē)娡?HESP)、氣動(dòng)噴丸等。另外，激光脈沖產(chǎn)生的沖擊波也可以使材料發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形。并促使晶粒細(xì)化。,材料表面自身納米化,(2)非平衡加熱法：將材料表面快速加熱，使材料表面溫度達(dá)到熔化、相變或分解溫度。然后進(jìn)行快速冷卻，利用動(dòng)力學(xué)方法提高晶體形核速率，并抑制晶粒長(zhǎng)大速度，從而在材料表面獲得納米晶體結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)快速加熱和冷卻是納米晶

6、體形成的關(guān)鍵。,材料表面自身納米化,表面自納米化組織結(jié)構(gòu)特征 目前的研究均表明，表面自納米化處理后，在材料上可獲得表面為納米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大的梯度結(jié)構(gòu)。一般將表面層分為四層： 納米結(jié)構(gòu)表層、 細(xì)化的亞微晶層、 變形細(xì)化的微晶層 基本沒(méi)有變化的基體,材料表面自身納米化,納米結(jié)構(gòu)表層與基體之間沒(méi)有明顯的界面，處理前后材料的外形尺寸基本沒(méi)變。這種表面自身納米化技術(shù)，一方面克服了目前三維大尺寸納米晶體材料制備的技術(shù)困難，另一方面又將納米材料的優(yōu)異性能應(yīng)用到了傳統(tǒng)工程材料的表面改性技術(shù)中。因此這種新材料、新技術(shù)具有很大的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。,材料表面自身納米化,表面納米化改變了材料表面的組織和結(jié)

7、構(gòu)這不僅有利于提高材料的表面性能而且對(duì)材料的整體性能也有相當(dāng)?shù)奶岣?。目前。?duì)于納米結(jié)構(gòu)表層的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、硬度、塑性與超塑性、沖擊韌度、彈性模量、疲勞性能、摩擦磨損性能等?？垢g性能、擴(kuò)散性能、穩(wěn)定性等已有比較廣泛的研究。,表面自納米化的組織性能,表面自納米化的組織性能,力學(xué)性能,疲勞性能,耐磨性能,耐蝕性能,熱穩(wěn)定性,表面自納米化 的組織性能,化學(xué)熱處理,表面自納米化的組織性能,力學(xué)性能 表面納米晶層的硬度顯著提高，并隨著深度的增加而逐漸減?。号c顯微組織未發(fā)生變化的芯部相比表面硬度可提高幾倍表面以下的亞微晶層的硬度也明顯地增大。硬度隨 (d為晶粒尺寸)呈線性增加與傳統(tǒng)的HallPetch

8、關(guān)系一致也與其他超細(xì)晶材料的力學(xué)性能研究結(jié)果相符因此可以確定表面納米化對(duì)材料的強(qiáng)化有貢獻(xiàn)。,表面自納米化的組織性能,疲勞性能 材料經(jīng)過(guò)表面納米化處理之后表層形成的組織均勻、性能均一的納米晶層可以有效地抑制疲勞裂紋的萌生同時(shí)表面形成的壓應(yīng)力層也有助于提高材料的抗疲勞性能。,表面自納米化的組織性能,耐磨性能 金屬材料表面晶粒細(xì)化至納米晶后材料的表面硬度和強(qiáng)度都會(huì)得到很大的改善和提高。而表面硬度的提高有利于改善材料的摩擦磨損性能。,表面自身納米化的應(yīng)用前景,利用表面納米化提高金屬材料(及其零部件表面的強(qiáng)度、硬度、疲勞、耐磨性和耐蝕性等，并通過(guò)表面性能的改善提高材料整體的綜合性能和使用壽命。 利用材料

9、表面納米晶組織較高的活性和均勻的微觀粗糙度，進(jìn)行其他表面處理(如噴涂、電鍍和沉積等)，可明顯地增加表層與基體的結(jié)合力有可能開(kāi)發(fā)出新型的具有高綜合性能的材料。,表面自身納米化的應(yīng)用,表面納米化的應(yīng)用前景,將表面納米化處理與化學(xué)處理相結(jié)合，降低化學(xué)處理的成本，使精密零部件能夠經(jīng)過(guò)變形小或無(wú)變形的低溫化學(xué)處理獲得高性能和多功能。同時(shí)，將表面納米化處理與化學(xué)處理相結(jié)合，在材料表層可以獲得具有高性能的復(fù)相表層，可望為利用常規(guī)工程金屬材料取代昂貴材料提供一條新途徑。,需解決的問(wèn)題,目前該技術(shù)距離產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離，針對(duì)工業(yè)實(shí)際應(yīng)用需要解決以下一些問(wèn)題：制備工藝和參數(shù)及材料的組織、結(jié)構(gòu)和性能對(duì)納米化行為的影響；表面納米化的微觀機(jī)理；研制適用于工業(yè)應(yīng)用的表面自身納米化設(shè)備。,表面自身納米化的未來(lái),表面納米化層具有較高的活性