金属表面自身纳米化.ppt

1、目录,表面工程的发展,表面工程的发展大致分为三个阶段： 第一阶段，以单一表面工程技术的品种增加、工艺成熟为主要特征，包括堆焊、热喷涂、电镀、化学镀、化学热处理、离子注入、真空熔结、激光处理、电子束熔覆、PVD、CVD、黏涂、涂装等，它们也称为第一代表面工程技术。,第二阶段，以复合表面工程技术的出现和协同创新为主要特征，起到“1+12”的协同效果，例如热喷涂与激光重熔复合。这种复合表面工程技术又被成为第二代表面工程技术。 第三阶段，以微纳米材料和纳米技术与传统表面工程技术的结合和实用化为主要特征。目前已进入实用阶段的有纳米电刷镀、纳米等离子喷涂、纳米减摩自修复添加剂、纳米固体润滑膜、微纳米涂黏技

2、术以及表面纳米化加工等。这就是第三代表面工程技术。,表面工程的发展,表面涂层与沉积,表面自纳米化,混合方式,表面纳米化制备原理和方法,表面纳米化制备原理和方法,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。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,表面自身纳米化 对多晶材料，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最级。与

3、其他两种方式相比，它有其独特的优点：工艺简单，成本低，易于实现；表面纳米层结构致密，无孔隙、污染等缺陷，化学成分与基体相同：所得纳米结构表层因具有梯度结构在使用过程中不易剥落、分离。,表面纳米化制备原理和方法,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，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。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进行。,表面纳米化制备原理和方法,材料表面自身纳米化,这里重点介绍材料表面自身纳米化。 所谓表面自身纳米化，就是不用外界物资，通过一些技术手段使其表面形成纳米尺度。

4、 表面自身纳米化是通过热、相变、重结晶或机械的方法处理材料的表面旧，导致材料表面粗晶细化至纳米量级，在材料的表面形成与基体化学成分相同的纳米结构表层，而材料整体的化学成分或相组成保持不变，主要特征是：随距离处理表面深度的增加，表面层微观结构呈梯度变化一般纳米材料表层与基体之间不存在明显界面。,实现表面自生纳米化主要有两种方法即表面机械处理和非平衡加热法。,(1)表面机械处理法：在外加载荷作用下，材料表面粗晶结构通过强烈塑性变形而逐渐细化至纳米量级。理论上，能够使材料表面产生多方向强烈塑性变形的表面机械处理技术(如喷丸、滚压等)都具有实现表面自生纳米化的潜力。该方法的晶粒细化机理类似于早前提出的

5、用强烈塑性变形法(Severe Plastic Deformation，SPD)制备块体纳米晶材料的细化机理，主要是通过塑性变形以及位错的运动来细化晶粒。,材料表面自身纳米化,目前用的比较多、相对比较成熟的方法有：表面机械研磨处理(SmT)超声喷丸(USSP)、高能喷丸(HESP)、气动喷丸等。另外，激光脉冲产生的冲击波也可以使材料发生强烈的塑性变形。并促使晶粒细化。,材料表面自身纳米化,(2)非平衡加热法：将材料表面快速加热，使材料表面温度达到熔化、相变或分解温度。然后进行快速冷却，利用动力学方法提高晶体形核速率，并抑制晶粒长大速度，从而在材料表面获得纳米晶体结构。实现快速加热和冷却是纳米晶

6、体形成的关键。,材料表面自身纳米化,表面自纳米化组织结构特征 目前的研究均表明，表面自纳米化处理后，在材料上可获得表面为纳米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大的梯度结构。一般将表面层分为四层： 纳米结构表层、 细化的亚微晶层、 变形细化的微晶层 基本没有变化的基体,材料表面自身纳米化,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没变。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。,材料表面自身纳米化,表面纳米化改变了材料表面的组织和结

7、构这不仅有利于提高材料的表面性能而且对材料的整体性能也有相当的提高。目前。对于纳米结构表层的力学性能，如强度、硬度、塑性与超塑性、冲击韧度、弹性模量、疲劳性能、摩擦磨损性能等。抗腐蚀性能、扩散性能、稳定性等已有比较广泛的研究。,表面自纳米化的组织性能,表面自纳米化的组织性能,力学性能,疲劳性能,耐磨性能,耐蚀性能,热稳定性,表面自纳米化 的组织性能,化学热处理,表面自纳米化的组织性能,力学性能 表面纳米晶层的硬度显著提高，并随着深度的增加而逐渐减小：与显微组织未发生变化的芯部相比表面硬度可提高几倍表面以下的亚微晶层的硬度也明显地增大。硬度随 (d为晶粒尺寸)呈线性增加与传统的HallPetch

8、关系一致也与其他超细晶材料的力学性能研究结果相符因此可以确定表面纳米化对材料的强化有贡献。,表面自纳米化的组织性能,疲劳性能 材料经过表面纳米化处理之后表层形成的组织均匀、性能均一的纳米晶层可以有效地抑制疲劳裂纹的萌生同时表面形成的压应力层也有助于提高材料的抗疲劳性能。,表面自纳米化的组织性能,耐磨性能 金属材料表面晶粒细化至纳米晶后材料的表面硬度和强度都会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损性能。,表面自身纳米化的应用前景,利用表面纳米化提高金属材料(及其零部件表面的强度、硬度、疲劳、耐磨性和耐蚀性等，并通过表面性能的改善提高材料整体的综合性能和使用寿命。 利用材料

9、表面纳米晶组织较高的活性和均匀的微观粗糙度，进行其他表面处理(如喷涂、电镀和沉积等)，可明显地增加表层与基体的结合力有可能开发出新型的具有高综合性能的材料。,表面自身纳米化的应用,表面纳米化的应用前景,将表面纳米化处理与化学处理相结合，降低化学处理的成本，使精密零部件能够经过变形小或无变形的低温化学处理获得高性能和多功能。同时，将表面纳米化处理与化学处理相结合，在材料表层可以获得具有高性能的复相表层，可望为利用常规工程金属材料取代昂贵材料提供一条新途径。,需解决的问题,目前该技术距离产业化还有一定的距离，针对工业实际应用需要解决以下一些问题：制备工艺和参数及材料的组织、结构和性能对纳米化行为的影响；表面纳米化的微观机理；研制适用于工业应用的表面自身纳米化设备。,表面自身纳米化的未来,表面纳米化层具有较高的活性