水射流表面納米化及離子注入復(fù)合工藝材料改性研究.pdf

1、研究表明，材料的表面改性技術(shù)是滿足服役環(huán)境對材料表面性能的特殊要求的有效方法，如硬度、強(qiáng)度、磨擦性能和電化學(xué)性能等以及熱、電、磁等物理性能。其中，將納米材料引入到表面工程，通過機(jī)械力的方法或者其他方式在材料表面得到改性的納米層會使材料的綜合力學(xué)性能得到明顯提高。目前已有多種金屬材料表面自納米化的工藝方法在多種材料體系中得到較為系統(tǒng)的研究，但大多由于加工的低效率和工藝復(fù)雜性，或處理試樣表面電化學(xué)性能等的不穩(wěn)定性，其實際應(yīng)用受到限制。為此，

2、本課題重點探索了一種新型的利用高壓純水射流（High-pressure waterjet peening，WJP）實現(xiàn)金屬材料表面自納米化的新工藝，為檢驗該技術(shù)，對比研究了不同形變工藝對材料的微觀組織結(jié)構(gòu)演變和納米化機(jī)理及其與性能之間關(guān)系的影響，探究了高壓水流束壓力、噴嘴行走速度和作用靶距等對被處理材料表面質(zhì)量的影響。并利用金屬蒸發(fā)真空弧離子注入技術(shù)對納米化表面進(jìn)行二次復(fù)合改性，以期改善和優(yōu)化材料納米化之后的耐腐蝕和摩擦磨損性能。本文中

3、主要完成研究內(nèi)容如下:
　　(1)系統(tǒng)研究了高壓純水射流表面納米化中壓力、噴嘴行走速度和靶距對被處理材料表面質(zhì)量的影響。
　　(2)利用不同加工形變技術(shù)實現(xiàn)了材料表面晶粒的自納米化。首先，采用快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓納米化(Fast multiple rotation rolling，F(xiàn)MRR)工藝處理TA1工業(yè)純鈦，制備得到厚度約100μm的表面變形層，碾壓時間增加至60min，表層晶粒細(xì)化至約50nm;然后，采用高壓水射流技術(shù)在

4、316L不銹鋼表面制各得到改性納米層，通過調(diào)整高壓水流壓力、噴嘴行走速度和靶距，發(fā)現(xiàn)當(dāng)P0=200MPa，VTr=400mm/min時，316L不銹鋼表面變形層較淺，表層晶粒平均尺寸約為46nm，變形過程中發(fā)生α'-馬氏體相變;當(dāng)水流壓力P0=100MPa，VTr=400mm/min時，TA1工業(yè)純鈦表層晶粒細(xì)化至44nm。
　　(3)316L不銹鋼是一種具有中等層錯能的材料，變形時孿生和位錯運動同時作用，晶粒細(xì)化進(jìn)程中隨應(yīng)變的增

5、加，位錯產(chǎn)生積累、應(yīng)力集中誘發(fā)機(jī)械孿生、高密度位錯分割孿晶、晶界取向差增大，最終形成納米晶粒。而室溫下小應(yīng)變量的純鈦材料變形以孿生為主，隨著變形的進(jìn)行，被孿晶晶界阻擋的位錯得到積累，對孿晶進(jìn)行分割使晶粒細(xì)化。
　　(4)研究了FMRR和WJP兩種工藝制備的納米結(jié)構(gòu)層對TA1工業(yè)純鈦和316L不銹鋼材料顯微硬度、拉伸力學(xué)性能、摩擦磨損性能和耐電化學(xué)腐蝕性能的影響。FMRR-SNC處理60min后TA1工業(yè)純鈦的表面硬度達(dá)到278Hv

6、，拉伸試樣厚度d=2mm時，試樣拉伸強(qiáng)度σb為423MPa，高于原始試樣約33MPa。WJP-SNC處理后的純鈦表層晶粒尺寸相差不大的情況下表面硬度較低，約為261Hv，試樣拉伸強(qiáng)度σb為475MPa。WJP-SNC處理的316L不銹鋼試樣表面硬度為325Hv，是基體硬度的1.5倍，試樣拉伸強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σ0.2分別為650MPa和580MPa，均優(yōu)于FMRR-SNC處理試樣(6b，608MPa，σ0.2，365MPa)。WJP-S

7、NC試樣在相同條件下的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均優(yōu)于FMRR，但延伸率下降較大;經(jīng)WJP-SNC處理后材料硬度和強(qiáng)度的提高為細(xì)晶強(qiáng)化、加工硬化和相變等因素共同導(dǎo)致。
　　表面納米化處理使工業(yè)純鈦表面的摩擦系數(shù)減小。FMRR-SNC處理60min后試樣摩擦系數(shù)由原始試樣1.1下降至0.6，WJP-SNC處理之后的試樣摩擦系數(shù)降低至0.7。納米化之后材料硬度的增加是耐磨性能提高的主要原因。表面納米化處理后材料表面質(zhì)量的下降、晶界增多、馬氏體

8、相變以及高密度位錯等原因使316L不銹鋼表面耐腐蝕性能下降。FMRR-SNC處理60min后試樣的擊破電位由原始試樣的0.5V下降至0V，維鈍電流有明顯增加(由～10-6A/cm2增加至10-5A/cm2); WJP-SNC處理之后的試樣耐腐蝕性能變化與FMRR-SNC一致。
　　(5)316L不銹鋼表面碾壓納米化處理有效增加了Al、Ti離子的注入射程和原子濃度。Ti離子注入對316L不銹鋼的耐腐蝕性能改善作用最為明顯，可以使碾壓

9、后的316L不銹鋼的耐蝕性與原始試樣水平相當(dāng)。TA1工業(yè)純鈦中Al離子的注入可進(jìn)一步提高WJP-SNC處理TA1的表層硬度，最高可達(dá)310Hv;硬度的顯著提高使表面的摩擦系數(shù)維持在0.15～0.2較低范圍內(nèi)。
　　該研究提出了一種可用于加工復(fù)雜形狀、高效清潔的高壓水射流納米化新工藝，以解決現(xiàn)有金屬材料表面自納米化工藝現(xiàn)存的低效率、工藝復(fù)雜等問題，并對納米化/離子注入復(fù)合改性進(jìn)行初步研究，探究納米化預(yù)處理對離子注入的促進(jìn)作用以及離子