金屬材料表面納米化技術(shù)是近幾年來(lái)表面強(qiáng)化方法的 研究 熱點(diǎn)之一。所謂表面納米化，是指利用各種物理或化學(xué)方法將材料的表層晶粒細(xì)化至納米量級(jí)，制備出具有納米晶結(jié)構(gòu)表層但基體仍然保持原有正常晶粒狀態(tài)的材料，借以通過(guò)表面組織和性能的優(yōu)化來(lái)提高材料的綜合力學(xué)性能和服役行為。該技術(shù)可將納米晶體材料的優(yōu)異性能賦予傳統(tǒng)金屬材料，故具有非常廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。
和其他制備納米材料的方法相比，表面納米化技術(shù)具有設(shè)備便宜，工藝簡(jiǎn)單，對(duì)樣品要求低等特點(diǎn)。所獲得的納米晶表層，晶粒尺寸在100nm以內(nèi)，且與基體之間具有納米、亞微米和變形晶粒層逐漸過(guò)度的梯度結(jié)構(gòu)，無(wú)污染、無(wú)孔洞。表面納米晶組織與基體組織之間不存在明顯的界面，在使用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生剝層和分離。由于材料的強(qiáng)度隨晶粒尺寸的減小而增大，故當(dāng)材料表面形成納米結(jié)構(gòu)時(shí)，將產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)，大大提高表面硬度；同時(shí)使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而延長(zhǎng)材料的疲勞壽命。
高能噴丸是近年來(lái)受到廣泛重視的一種表面納米化技術(shù)。其原理是，利用高能彈丸不斷撞擊金屬表面產(chǎn)生劇烈塑性變形從而使晶粒不斷細(xì)化得到納米晶。目前該方法已成功實(shí)現(xiàn)純鐵、低碳鋼、不銹鋼，甚至高溫合金以及純鈦等金屬材料的表面納米化。
對(duì)工業(yè)純鐵的噴丸試驗(yàn)表明，在0.6MPa噴丸壓力下，噴丸14分鐘即可得到最大厚度為148μm自納米化層。由于表面形成了一層納米晶，硬度有大幅提高，在距表面8μm左右，硬度達(dá)到了300HV。
采用直徑1mm的鉻鉬合金鋼丸的高能噴丸法，可以實(shí)現(xiàn)GH4169高溫合金的表面納米化。在噴丸120分鐘時(shí)，表層晶粒尺寸細(xì)化到20nm左右。隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)，GH4169高溫合金表面的強(qiáng)烈變形層深度和表面硬度不斷增加，噴丸30分鐘時(shí)表面硬度達(dá)HV480；噴丸120分鐘時(shí)表面硬度達(dá)到HV600。
純鈦表面經(jīng)高能噴丸處理后，表面層成為隨機(jī)取向的納米晶組織，在噴丸5分鐘時(shí)表面層就已達(dá)到納米級(jí)，噴丸時(shí)間達(dá)90分鐘后晶粒尺寸下降變緩，逐漸趨于穩(wěn)定，約為38nm。 研究 表明，高能噴丸10分鐘時(shí)所產(chǎn)生表面粗糙峰的應(yīng)力集中程度較大，60分鐘時(shí)應(yīng)力集中程度最小，表面納米化效果最佳。由于晶粒細(xì)化和加工硬化效應(yīng)的共同作用，噴丸后純鈦表面硬度與基層相比顯著提高，噴鋼丸10分鐘可使鈦表面硬度提高近一倍，之后隨著時(shí)間的增加，硬度變化減小。值得注意的是，作為生物材料，鈦廣泛應(yīng)用于整形外科和牙科，要求具有高斷裂強(qiáng)度和耐蝕性能以及良好的生物相容性。然而，鈦的生物活性較差，不易形成骨性結(jié)合。高能噴丸工藝不僅可強(qiáng)化鈦材表面，還可提高表面原子的擴(kuò)散能力，增加鈦基體的表面化學(xué)反應(yīng)活性，從而加快鈦基體表面羥基磷灰石的沉積速度；同時(shí)由于鈦材表面的粗糙度的增加，可以有效提高羥基磷灰石層與鈦基體的結(jié)合力。
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