高能喷丸表面纳米化技术
金属材料表面纳米化技术是近几年来表面强化方法的
研究热点之一。所谓表面纳米化，是指利用各种物理或化学方法将材料的表层晶粒细化至纳米量级，制备出具有纳米晶结构表层但基体仍然保持原有正常晶粒状态的材料，借以通过表面组织和性能的优化来提高材料的综合力学性能和服役行为。该技术可将纳米晶体材料的优异性能赋予传统金属材料，故具有非常广阔的工业应用前景。
和其他制备纳米材料的方法相比，表面纳米化技术具有设备便宜，工艺简单，对样品要求低等特点。所获得的纳米晶表层，晶粒尺寸在100nm以内，且与基体之间具有纳米、亚微米和变形晶粒层逐渐过度的梯度结构，无污染、无孔洞。表面纳米晶组织与基体组织之间不存在明显的界面，在使用过程中不会发生剥层和分离。由于材料的强度随晶粒尺寸的减小而增大，故当材料表面形成纳米结构时，将产生细晶强化效应，大大提高表面硬度；同时使表面产生残余压应力，从而延长材料的疲劳寿命。
高能喷丸是近年来受到广泛重视的一种表面纳米化技术。其原理是，利用高能弹丸不断撞击金属表面产生剧烈塑性变形从而使晶粒不断细化得到纳米晶。目前该方法已成功实现纯铁、低碳钢、不锈钢，甚至高温合金以及纯钛等金属材料的表面纳米化。
对工业纯铁的喷丸试验表明，在0.6MPa喷丸压力下，喷丸14分钟即可得到最大厚度为148μm自纳米化层。由于表面形成了一层纳米晶，硬度有大幅提高，在距表面8μm左右，硬度达到了300HV。
采用直径1mm的铬钼合金钢丸的高能喷丸法，可以实现GH4169高温合金的表面纳米化。在喷丸120分钟时，表层晶粒尺寸细化到20nm左右。随着喷丸时间的延长，GH4169高温合金表面的强烈变形层深度和表面硬度不断增加，喷丸30分钟时表面硬度达HV480；喷丸120分钟时表面硬度达到HV600。
纯钛表面经高能喷丸处理后，表面层成为随机取向的纳米晶组织，在喷丸5分钟时表面层就已达到纳米级，喷丸时间达90分钟后晶粒尺寸下降变缓，逐渐趋于稳定，约为38nm。
研究表明，高能喷丸10分钟时所产生表面粗糙峰的应力集中程度较大，60分钟时应力集中程度最小，表面纳米化效果最佳。由于晶粒细化和加工硬化效应的共同作用，喷丸后纯钛表面硬度与基层相比显著提高，喷钢丸10分钟可使钛表面硬度提高近一倍，之后随着时间的增加，硬度变化减小。值得注意的是，作为生物材料，钛广泛应用于整形外科和牙科，要求具有高断裂强度和耐蚀性能以及良好的生物相容性。然而，钛的生物活性较差，不易形成骨性结合。高能喷丸工艺不仅可强化钛材表面，还可提高表面原子的扩散能力，增加钛基体的表面化学反应活性，从而加快钛基体表面羟基磷灰石的沉积速度；同时由于钛材表面的粗糙度的增加，可以有效提高羟基磷灰石层与钛基体的结合力。
