深度轧制技术制备的纳米晶金属板材应用展望

王胜刚 龙康

新材料在人类文明进程中起到了非常重要的作用。纳米材料作为20世纪80年代提出的新概念，在人们的思想观念、生活和工作中产生了深远的影响。世界各国提出了不同领域的纳米技术发展规划并投入巨资开展纳米材料的基础研究和应用开发。2001年至今，笔者开展了深度轧制技术制备纳米晶金属材料产业化和该技术制备的纳米晶金属材料相关性能及其机理的基础性研究工作。通过这些工作，笔者不断地探索如何提高深度轧制技术的产业化程度、降低成本和拓展该制备技术制备纳米晶金属材料的应用领域。结合这2方面的工作进展，笔者介绍深度軋制技术制备的纳米晶金属材料应用前景。

一、深度轧制技术简介

深度轧制技术制备纳米晶金属板材是基于制备技术产业化理念，根据金属材料形变理论和金属材料加工企业设备现状提出[1，2]。深度轧制技术主要工艺过程包括轧前热处理、热轧、冷轧和轧后热处理。如果在金属材料冶炼后采用深度轧制技术制备纳米晶金属板材，可以减少轧前热处理环节，降低纳米晶金属板材的生产成本。深度轧制技术中关键的工艺参数包括热轧温度、热轧形变速率、金属板材温度变化、冷轧形变速率、热轧和冷轧形变量等。纳米晶金属板材的加工性能、机械性能和相关的物理与化学性能依赖于这些加工参数的变化。如果这些加工工艺参数选取不当，虽然也可以生产纳米晶金属板材，但其机械性能、加工性能、物理与化学性能可能恶化（与相应的普通金属材料相比），失去金属材料纳米化的价值和意义。深度轧制技术可以在普通金属加工企业实现，制备纳米晶金属板材的尺寸取决于轧制设备、轧前普通金属材料的尺寸和轧制工艺，可以根据纳米晶金属板材的材质和尺寸确定轧制设备需要相关工艺参数和轧前普通金属材料尺寸。由于不同金属材料的微观结构和变形机理不同，不同金属材料的深度轧制技术制备纳米晶金属板材具有不同轧制工艺参数和材料尺寸要求。深度轧制技术能够生产多种纳米晶金属板材，包括纯金属和合金材料。理论上，能够进行压力加工的金属材料可以利用深度轧制技术生产纳米晶金属板材。

二、深度轧制技术制备纳米晶金属板材在海洋材料领域应用

深度轧制技术制备的纳米晶金属板材，与相应的普通金属材料相比，屈强比提高，弹性应变增加、延伸率虽然降低，但不低于35%。图1和图2分别为纳米晶304不锈钢（BN-SS304）和普通304不锈钢（CP-SS304）不同应变速率时屈服强度和延伸率。中性和酸性含有氯离子（Cl-）的溶液中，深度轧制技术制备的纳米晶金属板材耐均匀腐蚀和局部腐蚀阻力提高[3-7]；室温低周疲劳强度和寿命同时提高；酸性含有Cl-的溶液中，耐应力腐蚀性能提高。图3为纳米晶和普通304不锈钢盐酸溶液中室温浸泡30天后腐蚀表面形貌的扫描电子显微镜照片。

深度轧制技术制备的纳米晶金属材料在海洋用金属材料领域中应用广泛。例如，如果将目前使用的普通金属船板纳米化，由于纳米晶金属板材强度和耐腐蚀性能提高，能够减少船体自身质量、增加船舶有效载荷、减少能耗，减少船体表面涂装成本、减少表面涂装引起的海洋污染、减少由于金属材料腐蚀引起的维护成本、增强船体的冲撞能力等。在海洋石油钻井平台方面，将现有石油钻井平台用的金属材料利用深度轧制技术纳米化处理后替换原有的金属材料，能够提高钻井平台结构的安全性和服役寿命，减少钻井平台由于腐蚀和疲劳引起的突发事故发生。海洋环境中建筑用的普通金属材料，如果利用深度轧制技术将部分金属材料纳米化，能够提高建筑物的结构强度和服役寿命。对于裸露于海洋大气中的金属建筑材料和设备，能够提高这些金属材料的耐大气腐蚀能力，减少腐蚀防护成本、提高建筑或者相应设备的可靠性。

近几年来，随着我国海洋开发和海洋维权力度加大，海洋用金属材料，如船舶、石油钻井平台和海岛建筑等对金属材料的需求加大，对海洋用金属材料提出更严格要求。因此，具有高强度、高屈强比、耐疲劳和耐腐蚀，特别是耐局部腐蚀能力提高的纳米晶金属板材未来有望成为海洋装备工程用金属材料中具有竞争力的金属材料。

三、深度轧制技术制备纳米晶金属板材在高温热腐蚀环境中应用

空气、熔盐、腐蚀性气体和无机盐等高温腐蚀环境中（温度范围：600～900℃），深度轧制技术制备的纳米晶金属材料的抗高温氧化性能优于相应的普通金属材料。纳米晶金属材料抗高温氧化性能表现为氧化速度降低、表面氧化膜先钝化、氧化膜薄且致密、氧化膜成膜能力强，不易脱落[7，8]。图4为纳米晶和普通304不锈钢在气氛氮气〔（N2）含15%，二氧化碳（CO2）含3.5%，氧气（O2）含0.1%，二氧化硫（SO2）余量，表面涂抹盐灰成分三氧化二铁（Fe2O3）含6%，硫酸钙（CaSO4）含29%，硫酸钠（Na2SO4）含2%，硫酸钾（K2SO4）含2%，氧化铝（Al2O3）含22%，氯化钠（NaCl）含1%，二氧化硅（SiO2）余量〕，实验温度为750℃时的氧化动力学曲线。深度轧制技术制备的纳米晶金属材料抗高温氧化性能表明，不仅在室温条件下，而且高温环境中纳米晶金属材料同样可以替代相应的普通金属材料，这有利于拓展深度轧制技术制备的纳米晶金属材料应用领域。特别是大量使用金属材料的行业或者领域，如石油化工行业、钢铁冶炼、发电和输电等行业，都面临着由于金属材料高温氧化与高温腐蚀引起的相关设备零部件的老化与失效，需要定期频繁更换或者定期检修。由于金属材料腐蚀是一个渐进过程，特别是高温环境和野外大气环境，监测其腐蚀进程难度较大。因此，由金属材料高温腐蚀引起的设备和器件失效难以预测，容易引起突发事故发生，造成人员伤亡和重大财产损失。如果在这些行业或者领域中，用纳米晶金属材料替换相同材质的普通金属材料，根据目前的性能试验结果能够提高相应设备金属材料零部件的使用寿命，进而减少突发事故和突发事故引起的其他不良连锁反应。

四、深度轧制技术制备纳米晶金属板材在机械材料领域应用

金属材料零部件在服役过程中，摩擦磨损是比较常见的现象之一，如工厂中各种机械设备、矿山机械和其他机械设备等。有的设备由于金属材料的摩擦磨损而失效，例如轴承和大量工程机械设备等。因此，这些设备或者器件中金属材料零部件的摩擦磨损性能是决定这些设备或者器件的质量、产品价格和使用寿命的关键因素。笔者的实验结果表明，与普通金属材料相比，深度轧制技术制备的纳米晶金属材料的耐摩擦磨损（油润滑）提高，主要表现为：室温时，磨损速率减少、摩擦系数减少；環境温度为150℃时，磨损速率和摩擦系数仍然同时减少[9]。图5为纳米晶和普通工业纯铁摩擦磨损（油润滑）表面形貌的扫描电子显微镜照片。如果将这些设备或者器件中的普通金属材料利用深度轧制技术纳米化，用纳米晶金属材料代替相同化学成分的普通金属材料，能够提高设备零部件或者器件的使用寿命（磨损速度减少）、节约能源和降低能耗（摩擦系数减少）、提高产品质量、高技术含量和市场竞争力。另外，纳米晶金属材料作为静电除尘设备中的集尘电极，不仅能够提高静电除尘性能，还可以提高集尘电极的使用寿命（耐腐蚀性能提高）。深度轧制技术也能够改变金属材料的电磁学性能，这方面工作刚刚起步，目前还没有系统和深入的研究结果。

五、深度轧制技术制备纳米晶金属板材在厨具和医药行业应用

厨具和医药行业大量使用各种不同金属材料。金属厨具在不同环境中，如高温、高压、酸性、碱性和含有Cl-（如食盐）溶液中，重金属离子溶出进入食物中不可避免。重金属离子溶出浓度过高，会影响人体健康，长此以往会导致某些疾病发生。因此，不同金属厨具对金属材料的选材有严格规范和国家标准。笔者的研究结果表明，深度轧制技术制备的纳米晶金属材料在不同环境（如高温氧化、熔盐腐蚀、室温中性和酸性含Cl-溶液）中耐腐蚀性能好于相应的普通金属材料，也就是说，纳米晶金属材料在上述环境中所有金属离子溶出浓度都低于相应的普通金属材料。另外，纳米晶金属材料抗拉和屈服强度都高于相应的普通金属材料。因此，深度轧制技术制备的纳米晶金属材料作为厨具用金属材料，不仅可以提高金属厨具的卫生标准，还可以减少厨具质量，节约金属材料，最终降低厨具产品的成本和提高金属厨具的产品质量和档次。

医药行业用的金属材料，包括各种医疗器械和植入金属材料，对重金属离子溶出提出了更苛刻的要求。特别是对于植入金属材料，除了重金属离子溶出浓度严格限定以外，对金属材料与人体组织的生物学相容性同样具有严格要求。笔者的工作表明，深度轧制技术制备的纳米晶304不锈钢适用于医用口腔金属材料（如牙齿矫正用牙套）纳米晶304不锈钢在人工唾液中，镍离子和铬离子的溶出浓度分别是普通304不锈钢的1/5和1/8。毒理学实验表明，与普通304不锈钢相比，纳米晶304不锈钢与不同人体组织细胞具有更好的生物学相容性[10]。图6为纳米晶和普通304不锈钢在人工唾液中动电位极化后腐蚀表面的扫描电子显微镜照片[10]。纳米晶304不锈钢和其他纳米晶金属材料在医药行业应用广泛，需要大量和深入的工作研究和开发纳米晶304不锈钢和其他纳米晶金属材料在医药行业不同领域的应用。

六、深度轧制技术制备纳米晶金属板材在综合复杂环境中应用

很多设备和工程（如桥梁、发电、输电、石油化工，制药工业）中金属材料的零部件在多种恶劣环境中工作，如高温、高压、盐雾或酸雾、冷热交变、摩擦磨损和机械疲劳等。如果通过某种方法（如纳米化方法）强化了金属材料服役过程中需要的某种性能，但同时恶化了金属材料服役过程中需要的其他性能，强化了某种性能的金属材料能否替代原有的金属材料需要进一步研究。深度轧制技术制备的纳米晶金属材料不同于其他纳米晶金属材料的特色之处在于其耐腐蚀、耐磨损和耐疲劳等性能同时提高，这有利于深度轧制技术制备的纳米晶金属材料在复杂环境中服役。

七、结语

由于专业领域的限制，人们提出的各种纳米化技术，大多数只是为了提高和改进材料在本专业内的相关性能，而忽视或者未考虑由于纳米化引起材料其他性能的变化。对于某一纳米晶金属材料，虽然人们往往很难把握应该研究本专业以外的哪些性能，但是同一材料不同性能的研究有利于贯通不同研究领域，在不同研究领域中发现更为普适的现象和规律，促进学科和专业领域间的融合与交叉，提高基础研究的影响力和学术水平。然而，学科间交叉的最终目的是为了提高、兼顾和协调金属材料多种性能，为提高金属材料复杂环境下的服役寿命，提高纳米晶金属材料的产品科技含量和国际竞争力提供理论和实验依据。笔者在前期工作基础上，正在计划开展深度轧制技术制备的纳米晶金属板材其他领域的研究，争取发现纳米晶金属材料更多优异的性能，依此扩大深度轧制技术制备的纳米晶金属板材应用领域，努力实现更深入的基础研究价值和产业化应用价值。

参考文献

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