金屬材料表面機(jī)械研磨技術(shù)機(jī)理及研究現(xiàn)狀

張輝，宮夢(mèng)瑩（東北大學(xué)材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng)110819）

金屬材料在服役過程中，表面經(jīng)常發(fā)生諸如疲勞、磨損、腐蝕等失效行為，極大地限制了金屬材料的應(yīng)用及發(fā)展。由于這些失效現(xiàn)象與材料表面的結(jié)構(gòu)和性能息息相關(guān)，因此，制造出具有高強(qiáng)度、高韌性的優(yōu)異體性能并結(jié)合高耐腐蝕性和耐磨性的優(yōu)異表面性能的新型材料，是當(dāng)今金屬材料研究生產(chǎn)的重中之重。

納米晶體材料是指晶粒尺寸在納米量級(jí)（＜100 nm）的多晶材料，其比表面積非常高。但是由于傳統(tǒng)制造技術(shù)的制約，納米晶體材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)程緩慢。1999年，中國(guó)科學(xué)院盧柯院士提出了金屬材料表面納米化的新概念[1]，即在金屬材料表面制備納米晶體，使材料表面獲得納米材料的優(yōu)異性能，同時(shí)保證材料內(nèi)部的晶體組織和性能不改變。目前，已經(jīng)研究出了多種材料表面納米化的方式，根據(jù)形成機(jī)制的不同，可分為表面沉積納米化、表面自身納米化和混合納米化三種基本方式[1]。其中，表面自身納米化技術(shù)是指對(duì)材料表面進(jìn)行處理，以獲得納米級(jí)表面結(jié)構(gòu)，同時(shí)保留金屬材料的體性能。

表面機(jī)械研磨處理（簡(jiǎn)稱SMAT）技術(shù)即屬于表面自身納米化技術(shù)的一種，通過SMAT技術(shù)可以在金屬材料表面制備出納米晶體結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高金屬材料表面部分的機(jī)械性能。本文介紹了SMAT技術(shù)的實(shí)施方法和納米化機(jī)理，并對(duì)金屬材料的改善作用進(jìn)行了分析說明。

1 SMAT技術(shù)

SMAT技術(shù)是一種先進(jìn)的金屬材料表面處理技術(shù)。此技術(shù)通過對(duì)材料表面進(jìn)行高頻高速、無(wú)特定方向的重復(fù)撞擊，使材料表面的粗晶組織在外加載荷的作用下，在不同方向上產(chǎn)生強(qiáng)烈塑性變形并逐漸細(xì)化至納米量級(jí)。已有的大量研究表明，在純鐵、鋼及其他金屬和合金上應(yīng)用SMAT技術(shù)制備表面納米晶層，可以提升金屬材料表面的硬度、韌性、耐磨性和耐腐蝕性等多方面性能[2-4]。

1.1 SMAT實(shí)施方法

SMAT技術(shù)是一種高效制備表面納米結(jié)構(gòu)晶層的方法。在SMAT處理過程中，先將待處理材料固定于研磨腔內(nèi)，并在研磨腔內(nèi)放置一定數(shù)量的直徑為1～10 mm的金屬球；然后通過電機(jī)帶動(dòng)研磨腔進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，研磨腔內(nèi)的金屬球也隨之發(fā)生隨機(jī)、無(wú)固定方向的運(yùn)動(dòng)。其間，金屬球在短時(shí)間內(nèi)對(duì)待處理材料進(jìn)行的高速不定向擊打，即為機(jī)械研磨處理。采用SMAT技術(shù)對(duì)金屬材料表面進(jìn)行處理時(shí)，要求使用的金屬球表面是光滑的，金屬球的成分、尺寸和數(shù)量由被處理材料的成分、尺寸決定。處理中，所使用電機(jī)、研磨腔尺寸和金屬球尺寸不同，金屬球的運(yùn)動(dòng)速度也不同，約為1～20 m/s。金屬球?qū)Ρ惶幚聿牧鲜┘拥膯未瓮饬ψ饔秒m不足以使其發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形，但高頻、大量的作用累積，金屬球?qū)Ρ惶幚聿牧系淖饔眉訖?quán)，將使其發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形。SMAT設(shè)備和處理過程中金屬球撞擊樣品引起局部塑性變形的示意圖[1]分別見圖1、圖2，金屬球?qū)Ρ惶幚聿牧系拿恳淮巫矒?，都?huì)引起被處理材料的高應(yīng)變率塑性變形。

圖1 SMAT設(shè)備示意圖

圖2 金屬球撞擊樣品引起局部塑性變形的示意圖

1.2 SMAT影響因素

SMAT技術(shù)主要工藝參數(shù)包括金屬球撞擊能量、頻率和方向。大能量金屬球有助于形成金屬材料表面的塑性變形結(jié)構(gòu)。提高金屬球的撞擊能量和頻率，可以增加塑性變形層厚度。在采用SMAT技術(shù)處理時(shí)，金屬球是以隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向?qū)饘俨牧媳砻孢M(jìn)行作用的，這種運(yùn)動(dòng)方式有助于在金屬材料表面的不同方向上制造出小的塑性變形區(qū)域，并使材料整體的塑性變形呈現(xiàn)無(wú)取向分布。

金屬材料本身的特性會(huì)對(duì)SMAT技術(shù)的處理結(jié)果產(chǎn)生重要影響。金屬材料的本質(zhì)特性包括材料的層錯(cuò)能、晶體結(jié)構(gòu)和取向等。金屬材料的晶粒取向也會(huì)對(duì)SMAT技術(shù)的處理結(jié)果產(chǎn)生影響。在同樣的外加載荷作用下，晶粒取向不同，其所能開動(dòng)的滑移系數(shù)目不同，所能產(chǎn)生的位錯(cuò)及孿晶的數(shù)量和方向也不同。

1.3 SMAT處理效果

采用SMAT技術(shù)對(duì)金屬材料表面進(jìn)行處理，可以在材料的表面區(qū)域獲得納米晶體組織[1]。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所對(duì)純鐵材料進(jìn)行SMAT處理并研究其性能。研究顯示，經(jīng)過60 min的表面機(jī)械研磨處理，在純鐵材料表面獲得了超過150 μm深的強(qiáng)塑性變形層；材料表面的晶粒尺寸可細(xì)化至10 nm，低于表面20 μm處的晶粒尺寸可細(xì)化至100～200 nm；原始粗晶純鐵和SMAT處理后純鐵樣品在距外表面50 μm左右深度的SEM 照片[5]如圖3所示。

采用 SMAT 技術(shù)對(duì) 38CrMoAl[6]、304[7]、316L[8]等鋼鐵材料以及其他金屬材料進(jìn)行處理，也可以獲得與純鐵相似的表面納米晶體組織。法國(guó)研究人員T.Roland對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行SMAT處理，在使用直徑為2 mm和3 mm的不銹鋼球處理15 min后，獲得了深度為40 μm，晶粒尺寸為20 nm的納米晶體組織[9]。Wang等人對(duì)原始晶粒尺寸為200 μm 的純銅進(jìn)行 SMAT 處理[10]，在使用 8 mm的不銹鋼球分別處理5 min和30 min后，在純銅表面獲得了納米晶體組織。Zhu等人對(duì)α-Ti表面進(jìn)行SMAT處理，獲得了深達(dá)150 μm的表面納米晶體組織[2]。

圖3 距外表面50 μm左右深度的SEM照片

2 SMAT的納米化機(jī)理

采用SMAT技術(shù)可使金屬材料表面晶粒細(xì)化至納米量級(jí)。深入理解SMAT技術(shù)引起金屬材料表面晶粒細(xì)化和納米化的機(jī)理，對(duì)研究SMAT技術(shù)有著至關(guān)重要的意義。采用SMAT技術(shù)在粗晶金屬材料表面制備納米晶體組織主要涉及各種位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界發(fā)展，而位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界發(fā)展則與金屬材料本身的晶格結(jié)構(gòu)和層錯(cuò)能緊密相關(guān)。不同的金屬材料具有不同的層錯(cuò)能[11-12]。大量研究顯示，具有高層錯(cuò)能的材料，由SMAT處理引發(fā)納米化的主要機(jī)制，在于位錯(cuò)墻和位錯(cuò)胞的形成促進(jìn)了亞晶界的形成；具有低層錯(cuò)能的金屬材料，孿晶的形成是導(dǎo)致晶粒納米化的主要原因。

2.1 高層錯(cuò)能材料

純鐵是一種常見的、具有高層錯(cuò)能的金屬。純鐵晶粒為面心立方結(jié)構(gòu)，層錯(cuò)能約為200 MJ/m2。在SMAT處理過程中，純鐵材料表面晶粒納米化的主要機(jī)制[12]為：① 致密位錯(cuò)墻及位錯(cuò)纏結(jié)的發(fā)展；②致密位錯(cuò)墻和位錯(cuò)纏結(jié)向不同小傾角亞晶界的轉(zhuǎn)變；③亞晶界向高錯(cuò)位晶界的演變。圖4所示即為純鐵在SMAT處理過程中晶粒細(xì)化機(jī)制的示意圖[13]。對(duì)于原始純鐵粗晶，SMAT處理引起的塑性應(yīng)變激發(fā)了位錯(cuò)活動(dòng)，從而在（110）滑移面形成了致密的位錯(cuò)墻，同時(shí)在極少數(shù)晶粒中形成位錯(cuò)纏結(jié)。這種情況繼續(xù)發(fā)展的結(jié)果是位錯(cuò)墻和位錯(cuò)纏結(jié)將晶粒內(nèi)部分隔成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的位錯(cuò)胞。在處理過程中，金屬球?qū)冭F表面的多角度、重復(fù)撞擊導(dǎo)致了晶粒內(nèi)部滑移系統(tǒng)的改變，新舊位錯(cuò)在相同或不同滑移系互相作用。隨后，致密的位錯(cuò)墻和位錯(cuò)纏結(jié)使原始粗晶內(nèi)部生成亞晶粒。隨著塑性形變的發(fā)生，位錯(cuò)墻和位錯(cuò)纏結(jié)的發(fā)展，亞晶界逐漸轉(zhuǎn)變成小角度晶界。隨著應(yīng)變的增多，更多的位錯(cuò)在亞晶界處生成和湮滅，促使亞晶界處的自由能升高，晶界錯(cuò)配程度增大。隨著樣品表面所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變的增加，晶粒被不斷細(xì)化。當(dāng)位錯(cuò)增值與湮滅的速率達(dá)到平衡時(shí)，晶粒尺寸則達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值不再降低。

圖4 純鐵采用SMAT技術(shù)處理過程中晶粒細(xì)化機(jī)制的示意圖

2.2 低層錯(cuò)能材料

304不銹鋼是常見的面心立方結(jié)構(gòu)晶體，具有較低的層錯(cuò)能，約為16.8 MJ/m2。經(jīng)SMAT處理后，304不銹鋼晶粒細(xì)化的主要機(jī)制為：①平面位錯(cuò)陣列與孿晶的形成；②亞晶的形成及馬氏體相變；③ 納米晶的形成[14]。不同于高層錯(cuò)能晶體，低層錯(cuò)能晶體中的不全位錯(cuò)很難通過滑移形成位錯(cuò)胞，但容易在{111}平面形成位錯(cuò)陣列和孿晶。隨著各 {111}晶面上孿晶數(shù)量的增加和互相作用的增多，晶粒內(nèi)的應(yīng)變?cè)龃?，原始的粗晶奧氏體被分為亞晶粒，同時(shí)發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變，而這也促進(jìn)了晶粒的進(jìn)一步細(xì)化。最后，孿晶的交割及高應(yīng)變促使納米級(jí)馬氏體晶粒的生成。同時(shí)，由于晶粒的旋轉(zhuǎn)和晶界的運(yùn)動(dòng)使得納米晶體組織中的晶粒呈隨機(jī)的無(wú)取向分布。

2.3 具有HCP結(jié)構(gòu)的材料

不同于常見的立方晶系，鈦晶粒為密排六方結(jié)構(gòu)。由于鈦的結(jié)構(gòu)特殊，在經(jīng)過SMAT處理以獲得表面納米晶體組織時(shí)，鈦的晶粒細(xì)化機(jī)制與立方晶系金屬不同。Zhu在詳細(xì)的研究后發(fā)現(xiàn)，在納米化時(shí)，粗晶鈦是先產(chǎn)生孿晶組織[2]，隨后在高應(yīng)變的作用下，位錯(cuò)發(fā)生滑移運(yùn)動(dòng)。具體的納米化機(jī)制為：① 孿晶大量形成后，不同滑移系的孿晶發(fā)生交割；② 位錯(cuò)墻的形成；③ 位錯(cuò)墻滑移并伴隨微帶的形核；④微帶亞分裂成低錯(cuò)配角的區(qū)塊后，繼續(xù)分裂成高錯(cuò)配角的多邊亞微米晶粒；⑤亞微米晶粒細(xì)化成無(wú)取向、隨機(jī)分布的納米晶粒。在最后的細(xì)化階段，旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制起主要作用。

3 SMAT在金屬材料表面改性方面研究現(xiàn)狀

采用SMAT技術(shù)對(duì)金屬材料的表面進(jìn)行改性處理，不僅可以在金屬材料表面形成納米晶粒和亞微米晶粒，伴隨而生的大量晶界、位錯(cuò)和孿晶，為合金元素在基體金屬材料中發(fā)生擴(kuò)散和相變反應(yīng)，提供了動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方面的助力，同時(shí)也可以改善金屬材料的各種性能。

3.1 改善金屬材料化學(xué)熱處理情況

化學(xué)熱處理是一種常見的金屬表面處理技術(shù)，其本質(zhì)是合金元素向金屬基體中的擴(kuò)散，以及與金屬元素發(fā)生的一系列反應(yīng)。大量研究顯示，對(duì)經(jīng)過SMAT處理的金屬基體進(jìn)行化學(xué)熱處理，可以顯著提高合金元素在基體材料中的擴(kuò)散動(dòng)力及反應(yīng)動(dòng)力，并提升化學(xué)熱處理后金屬材料的性能。

SMAT處理會(huì)提高N元素在純鐵中的擴(kuò)散和相變動(dòng)力。將純鐵材料進(jìn)行SMAT處理后滲氮，在遠(yuǎn)低于常規(guī)溫度 （300℃）下即可得到氮化鐵組織[5]。純鐵經(jīng)過SMAT處理得到表面納米晶層后，ε-Fe2-3N相可以在較低的溫度或氮?jiǎng)菹律?。?50℃、不同氮?jiǎng)菹?，?jīng)SMAT處理后純鐵樣品滲氮結(jié)果的XRD曲線[16]如圖5所示。450℃下，在納米晶層中生成ε-Fe2-3N相的臨界氮?jiǎng)菁s為5.34×10-3Pa-1/2，遠(yuǎn)低于在粗晶中的臨界氮?jiǎng)?8.79×10-3Pa-1/2。在相變動(dòng)力學(xué)方面，當(dāng)平均晶粒尺寸由100 μm降低至10 nm時(shí)，ε-Fe2-3N相的形核率可以提高104倍。經(jīng)過SMAT處理的純鐵樣品表層晶粒已達(dá)到納米量級(jí)，這一區(qū)域的高比表面積使N在其中的擴(kuò)散應(yīng)以晶界擴(kuò)散為主。由于N在晶界的擴(kuò)散速率高于其在晶內(nèi)的擴(kuò)散速率，因此大量的晶界和缺陷成為了N原子的高速擴(kuò)散通道。另一方面，缺陷及晶界處儲(chǔ)存的高自由能會(huì)增大N原子的擴(kuò)散系數(shù)，同時(shí)提高氮化鐵在這些位置的形核驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而提高氮化鐵的形核率。

圖5 在450℃、不同氮?jiǎng)菹?，?jīng)SMAT處理后純鐵樣品滲氮結(jié)果的XRD曲線

經(jīng)過SMAT處理后，純鐵材料滲氮后的機(jī)械性能也可以得到明顯的提升[16-17]。圖6為粗晶純鐵樣品和經(jīng)SMAT處理后純鐵樣品滲氮后硬度隨深度變化曲線[17]。從圖6中不難看出，SMAT處理后的純鐵樣品,表面滲氮層的硬度可達(dá)到6.1 GPa，這一結(jié)果遠(yuǎn)高于常規(guī)粗晶純鐵表面滲氮層的硬度值（4.0 GPa）。 當(dāng)深度超過 150 μm 時(shí)，SMAT 處理對(duì)純鐵滲氮后的硬度水平的影響才逐漸消失。在耐磨性能方面，經(jīng)過SMAT處理的純鐵滲氮材料，其化合物層的摩擦系數(shù)為0.18～0.22；而未經(jīng)SMAT處理的樣品在相同位置的摩擦系數(shù)為0.27，略高于前者。

圖6 SMAT處理前后純鐵樣品滲氮后硬度隨深度變化曲線

在對(duì)Cu進(jìn)行SMAT處理后，Ni在銅基體中的擴(kuò)散能力也會(huì)大幅度提升[9]。在110～165℃的溫度下，對(duì)經(jīng)SMAT處理過的Cu進(jìn)行滲Ni處理60 min。放射物示蹤結(jié)果顯示，在最表面的10 μm處，Ni在Cu中的有效擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到在普通Cu中的100倍。在30～50 μm深度處，Ni在Cu中的有效擴(kuò)散系數(shù)最高可達(dá)在普通Cu中的104倍。分析表明，經(jīng)SMAT處理過的純銅表面，可能是界面處存在的非平衡相，引起了Ni在Cu中擴(kuò)散系數(shù)的提高；且其中的大角度晶界自由能較未經(jīng)過處理的Cu多了30%，也促進(jìn)了Ni在Cu中的擴(kuò)散。

SMAT技術(shù)也可以顯著增強(qiáng)AISI 321不銹鋼的滲氮能力和滲氮效果[13]。對(duì)AISI 321奧氏體不銹鋼進(jìn)行SMAT處理后，會(huì)在材料表面產(chǎn)生納米晶層[14]。隨后在400℃下對(duì)321不銹鋼用脈沖直流輝光等離子技術(shù)進(jìn)行滲氮處理，即可獲得明顯的滲氮層。研究表明，表面機(jī)械研磨處理有助于AISI321不銹鋼的表面形成相對(duì)較厚的S相和擴(kuò)散層。相對(duì)于未經(jīng)過機(jī)械研磨處理的樣品，處理過的樣品在滲氮后的表面硬度、承受能力和韌性均有明顯提高，表面的耐磨性相較于未處理過的樣品提高了3～10倍。

3.2 改善金屬材料機(jī)械性能

SMAT技術(shù)通過在金屬材料表面產(chǎn)生強(qiáng)塑性變形，達(dá)到將金屬材料表面晶粒細(xì)化至納米量級(jí)的目的。塑性變形在引起晶粒細(xì)化的同時(shí)，也帶來了大量孿晶和位錯(cuò)，這些微觀組織通過不同機(jī)制對(duì)金屬材料本身的性能產(chǎn)生積極影響。

SMAT技術(shù)可以增強(qiáng)TWIP鋼的屈服強(qiáng)度[18]。采用SMAT處理可在TWIP表面形成納米晶體結(jié)構(gòu)，并使樣品表面的孿晶和位錯(cuò)的密度升高。隨著深度的增加，晶粒尺寸增大，孿晶和位錯(cuò)的密度則降低。納米晶粒、孿晶和位錯(cuò)在TWIP鋼樣品表面形成硬質(zhì)相區(qū)，該硬質(zhì)相區(qū)的體積約占總樣品體積的15%。硬質(zhì)相區(qū)中孿晶與孿晶、孿晶與位錯(cuò)之間的交互作用，使TWIP鋼樣品在不損失延展性的前提下具有高的拉伸強(qiáng)度。Mei在研究SMAT處理對(duì)NiTi合金的作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過SMAT處理后，NiTi合金樣品的楊氏模量顯著升高[19]。當(dāng)晶粒尺寸細(xì)化至6 nm時(shí)，樣品的楊氏模量升高至85 GPa。分析表明，晶粒尺寸對(duì)楊氏模量的影響可能是由于SMAT處理抑制了應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變?cè)斐傻摹?/p>

在金屬材料表面性能改進(jìn)的其他方面，SMAT技術(shù)也展現(xiàn)出了優(yōu)異的改進(jìn)效果和良好的應(yīng)用前景。C.Kavitha將SMAT技術(shù)應(yīng)用于鋼的鋅系磷化處理中[20]，Tang將SMAT技術(shù)應(yīng)用于制造汽車用能量吸收器中[21]，均取得了良好的成果。

3.3 改進(jìn)金屬材料生物性能

通過SMAT技術(shù)在β-Ti表面制備納米晶層，可使β-Ti樣品的細(xì)胞功能和機(jī)械性能均得到極大提升，使具有表面納米晶層的β-Ti成為外科手術(shù)中的理想植入物[22]。Wen等人也將SMAT技術(shù)應(yīng)用于各種鈦金屬及合金的研究中，并獲得了令人欣喜的成果[23]?？梢灶A(yù)言，SMAT技術(shù)在材料表面性能改進(jìn)方面的優(yōu)勢(shì)將使SMAT技術(shù)在生物材料領(lǐng)域發(fā)揮極大的作用。

4 結(jié)論

SMAT技術(shù)是一種先進(jìn)的金屬材料表面組織處理技術(shù)。通過研磨球的高頻率、高能量、無(wú)定向撞擊，在金屬材料表面引發(fā)強(qiáng)塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致金屬材料表面晶粒細(xì)化，伴隨生成大量孿晶和位錯(cuò)等缺陷。這種金屬材料表面的特殊結(jié)構(gòu)通過不同機(jī)制對(duì)金屬材料表面性能起到提升和改進(jìn)的作用，包括金屬材料的化學(xué)熱處理情況、機(jī)械性能和生物性能等，使SMAT技術(shù)在制備具有優(yōu)異表面性能金屬材料領(lǐng)域擁有廣泛的前景。