纯钛及钛合金表面纳米化研究开题报告
- 钛及钛合金的应用和发展情况
钛作为一种金属材料虽不如铁铜铝那样早为人知，但其具有强度高、耐腐蚀性强、抗拉强度与其屈服强度接近、抗拉性能强、生物兼容性好和无磁性等优点。具备了这些优异性能的钛是一种全能金属，是新材料十二五规划中高端金属结构材料的代表材料。钛和钛合金具有优异的综合力学性能，在航空航天、舰船制造、化学工业、交通车辆、建筑装饰、海洋建筑、体育用品、生活用品等方面得到了广泛的应用，被称为“太空金属”、“海洋金属”、“智能金属”等。钛作为新型金属材料，是支撑尖端科学技术进步的重要原材料，是国民经济发展和产业升级换代的基础产业。目前钛材价格处于历史低谷，铜、镍等有色金属价格却步步攀升，钛材的替代效应逐步显现。超高的比强度可节省金属用量，超强的耐腐蚀能力可延长使用寿命，钛的这两项性能均可有效降低使用成本，从而突破钛材工业应用中“成本”这一最大障碍。未来钛材在化工、海水淡化和汽车轻量化材料等领域潜力无限。
但众所周知, 工业纯钛的耐磨损性能差,这一性能阻碍了它的进一步应用。与此同时，钛与钛合金也存在一定的缺陷，使其应用有局限性。若能通过一定的工艺提高钛及钛合金的耐磨性，则其使用成本会大大下降，使用前景将更加广泛。本次科研训练以改善钛及钛合金的性能，进一步降低其使用成本和实用性为目的，研究一种行之有效的工艺。
- 表面纳米化工艺对钛及钛合金性能的改善
想要提高钛及钛合金的力学性能可以通过将钛及钛合金的粗晶颗粒缩小至纳米量级。随着尺寸的减小，材料的强度和硬度能够得到极大的提高。将钛及钛合金制成纳米结构材料能使材料的强度和硬度提高为同等成分粗晶材料的数倍甚至数十倍，是发展高强度材料的一种有效的方法。然而, 伴随着强度和硬度的显著提高，纳米结构材料的塑性和韧性显著降低、加工硬化能力消失、结构稳定性变差, 这些性能的恶化制约了纳米结构材料的应用和发展。众所周知，大多数材料的失稳始于其表面，因此只要在材料的表面制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化（Surface nanocrystallization， SNC），就能够通过表面组织和性能的优化提高材料的整体力学性能和环境服役行为。与其它纳米材料制备方法不同的是，表面纳米化采用常规表面处理技术或对表面处理技术进行改进即可实现，且表面纳米化处理不改变材料原有的化学组成。最新研究表明, 通过对纳米结构的多级构筑(architecture)可以在有效克服纳米结构的性能缺点的同时发挥其性能优势, 梯度纳米结构便是其中的一种重要构筑类型。
梯度纳米结构是指材料的结构单元尺寸(如晶粒尺寸或层片厚度)在空间上呈梯度变化, 从纳米尺度连续增加到宏观尺度[1]。或者说, 材料的一部分由纳米结构组成, 另一部分由粗晶结构组成, 这两部分之间结构单元尺寸呈梯度连续变化.。梯度纳米结构的实质是晶界(或其他界面)密度在空间上呈梯度变化, 因此对应着许多物理化学性能在空间上的梯度变化。结构尺寸的梯度变化有别于不同特征尺寸结构(如纳米晶粒、亚微米晶粒、粗晶粒)的简单混合或复合, 有效避免了结构特征尺寸突变引起的性能突变, 可以使具有不同特征尺寸的结构相互协调, 同时表现出各特征尺寸所对应的多种作用机制, 使材料的整体性能和使役行为得到优化和提高[2]。
要实现钛及钛合金的梯度纳米结构，较为有效的是通过表面纳米化的方法。表面纳米化即利用各种物理及化学方法将材料表面的晶粒细化至纳米量级，制备出具有纳米晶粒结构的表层，但是基体仍保持原有的粗晶状态，以此来提高材料的表面性能，如疲劳强度、抗腐蚀性和耐磨性等[3]。
表面纳米化技术简单、成本低对用途广、用量大的各种常规工程金属材料均具有普适性，它能有效地实现材料结构功能一体化设计。为传统的工程金属材料赋予高性能和多功能，并对传统产业技术的升级改造具有重要的推动作用，它有着非常广阔的应用前景。表面自纳米化技术以其独特的优势，在工业领域有多方面的潜在应用主要包括以下方面：
- 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。
- 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。
- 将表面纳米化处理应用于异种金属材料的扩散焊接过程，利用金属原子在纳米晶粒 内高的扩散速率和纳米晶粒本身所体现出的超塑性效应，降低焊接温度、缩短焊接时间，以控制或消除由金属间化合物加厚、母材晶粒长大和焊接内应力发展所引起的有害作用。这就可为异种金属提供一种新的焊接方法，解决传统焊接工艺所不能解决的问题。研究成果对提高异种金属的焊接效率和结合性能，丰富和发展焊接理论具有十分重要的意义，也为纳米金属材料在工程中的实际应用开辟了新的途径。
3.梯度纳米结构材料的制备与加工
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