316L不锈钢表面纳米化性能研究(3)
（二）表面涂覆或沉积法
表面涂覆或沉积法是指首先制备出具有纳米尺度的颗粒，然后通过一定的处理方法将得到的纳米颗粒沉积并固定在材料的表面，在材料的表面形成与基体化学成分相同（或不同）纳米结构表面层。通过表面涂覆或沉积法获得的表面纳米化材料表面层晶粒结构尺寸比较均匀，但是表面层和基体之间存在明显的界面，且处理后材料的外形尺寸与处理前会发生变化。
PVD、CVD、溅射、电镀、电解沉积等表面涂覆或沉积法都具有良好的应用前景，且通过调节加工工艺参数可以控制纳米晶粒的尺寸和表面纳米结构层的厚度。表面涂覆或沉积工艺过程的关键在确保表面纳米晶层晶粒不发生长大的情况下保证表面结构层与集体之间的牢固结合，而目前这些技术已经比较成熟。
（三）混合方法
混合方式是将表面纳米化技术与化学处理技术相结合，在形成纳米结构表面层时或者纳米结构表面层形成后对材料进行化学处理，在材料表面层制备与基体化学成分不同的固溶体或化合物结构层的表面纳米化方法。且由于混合处理方法在材料表面形成纳米晶组织，材料内部晶界的体积分数明显增大。而晶界为原子提供了理想的扩散通道，使对材料的化学处理更容易进行。
（四）小结
通过对前两种方法的比较可以看出，通过表面自纳米化在材料表面形成具有纳米晶结构的表面层更具有发展和应用前景：一方面是由于表面自纳米化处理法工业应用上不存在明显的技术障碍，能够较为简单的实现材料表面纳米化；另一方面是由于材料内部晶粒尺寸沿厚度方向呈明显的梯度变化，纳米结构层与基体组织之间不存在明显的界面，因而在使用过程中材料不会产生剥层和分离。综上，目前对于金属材料表面纳米化的研究多集中在通过对材料表面进行机械加工而获得的表面自纳米化。
1.2.2不锈钢表面纳米化处理后微观组织与性能
张洪旺、卢柯等人利用表面机械研磨诱导技术对AISI304不锈钢进行表层纳米化的实验表明：经SMAT后，样品表面形成了厚度约为30μm的纳米晶层，纳米晶结构层晶粒平均尺寸约为10nm；随着距表面深度的增加，组织的相组成由单一马氏体相演变为尺寸稍大的双相组织，试样的显微硬度也随着晶粒尺寸的增大而降低；在距表面30~300μm的范围内，显微组织由亚微米级的奥氏体多系孪晶逐渐演变为单一孪晶。
实验所用材料为厚度为4mm的AISI304不锈钢板材，经1080℃、1h的真空退火后材料表面获得了含有退火孪晶的奥氏体组织，晶粒尺寸为120~300μm。经15minSMAT的AISI304不锈钢产生了厚度约为300μm的变形层，组织为典型的形变孪晶。且AISI304不锈钢的形变方式与纯铁、低碳钢经表面处理得形变组织有着明显的不同，其塑性形变量沿厚度方向逐渐减小。
经过SMAT处理后，由于在样品表面形成了厚度约为30μm的马氏体组织硬化层，处理后的样品表面硬度大于心部。图1.1为经过SMAT后样品的硬度测量结果。
图1.1 样品表面硬度随处理时间的变化与经过15minSMAT样品的硬度沿深度变化[6]
样品起始硬度约为2GPa，经SMAT处理5min后表面层硬度为3.6GPa。从图（a）可以看出随着处理时间的增加试样表面层的硬度也随之增加。直至处理时间达30min时试样表面层硬度趋于稳定值，约为5GPa。从图（b）可以看出，距表面层约30μm的深度，试样硬度值明显下降；在150~300μm的深度，硬度继续下降，并逐渐趋于初始退火样品的硬度值。通过表面纳米化处理，试样的表面层硬度得到显著的提高，通过比较发现表面纳米化使材料的表面层硬度显著提高，且与心部基体硬度相比，表面层的硬度可提高2.5倍。