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第 3 卷
2015 年
9 月刊
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科学新讯


第 3 卷- 2015 年 9 月刊
研究无吸收涂层激光喷丸强化(LSPwC)对残余应力和AA6082腐蚀行为的影响



图1:a)设置实验LSPwC,b)LSPwC期间生成受限等离子体,c)LSPwC表面扫描/扫除演示示意图


表1:表面粗糙度(Ra)结果


图2:钻孔主残余应力 - σRS


图3:3.5%氯化钠溶液中的开路电势(Eocp = f [t])曲线


图4:未处理和LSPwc处理试样的线性伏安图


图5:腐蚀试验后的SEM/SEI图像,a)未处理,b)LSPwC处理试样

简介

  铝合金由于具有密度低、机械性能良好及耐蚀性强等特征,在工业应用的得到广泛的应用。虽然铝合金在氯环境中具有很强的耐蚀性,但局部腐蚀和应力腐蚀开裂也经常发生[1]。因此,适当的表面处理对于提高耐蚀性、抗疲劳性和耐磨性非常必要[2-4]。激光喷丸强化(LSP)是一种创新型表面处理方法,主要用于提高疲劳强度和延长疲劳裂纹萌生时间,这通过在表面层形成残余应力实现。使用具有适当特性的激光脉冲处理材料表面时,材料表面汽化并达到104°C或以上,从而形成等离子体。处于水中的等离子体产生振动冲击波,在表面层产生相当大的位错密度,并形成高梯度残余应力。在实践中,与传统的抛喷丸强化(SP)相比,LSP已被证明可产生更深更大的残余应力。此外,经过SP加工之后,金属工件表面可能损坏或变形,但LSP之后,经过处理的工件表面基本不受影响。本研究的目的是观察LSP对提高表面质量和峰时效AA6082-T651铝合金的耐蚀性的影响。

实验

  试验材料是拉拔至Ø40mm的圆棒形6082-T651铝合金,其成分(wt.%)为:Si:0.98, Mg:0.67, Mn:0.53, Fe:0.25, Ti:0.03,一些微量元素(Cr、Zn、Ti、Cu),其余的是Al。试验材料的静态机械性能为:Rm=348 MPa,Rp0.2=320 MPa及HV=92。

  LSPwC处理(图1)由西班牙马德里的Centro Laser U.P.M公司执行,它使用闭合消融法,无保护涂层(LSPwC),所用仪器为1064 nm的Q开关Nd:YAG激光器。功率密度为10.75 GW/cm2,脉冲持续时间(FWHM)为10ns,使用的频率为10Hz。900脉冲/cm2的脉冲密度的最终累积影响等于1.71 kJ/cm2。LSPwC工艺的演示示意图如图1所示。LSPwC处理之前和之后的残余应力(RS)均可按照ASTM E 837通过半破坏性钻孔法进行测量,最终RS由积分增量法决定。腐蚀试验在3.5%的氯化钠水溶液(pH 7,23°C)中进行。使用雷迪美特Voltalab 21恒电位仪和带有Pt对及参比电极(SCE = +244mV与SHE)的三电极CEC/TH电池评估化学特性。为了稳定表面,将试样浸在介质中60分钟,并同时监控开路电势(OCP),然后进行线性伏安法试验。为了观察低电位时的阴极腐蚀现象,将从–1800 mVSCE时开始测量,并在10 mVs-1时转变至–500 mVSCE。

结果与讨论

表面粗糙度

  试样的初步准备中使用了刀具及LSPwC表面扫描方向决定了需要分别根据RaL和RaT建立纵向(L)和横向(T)表面轮廓,RaL和RaT分别是纵向和横向三个轮廓测量值的平均值(表1)。

  未处理试样的粗糙度Ra为纵向0.72μm,横向0.81μm。在经LSPwC处理的试样中,Ra为纵向3.74μm,横向6.0μm。LSPwC之后表面粗糙度增加是由脉冲重叠和交互作用点诱发的等离子体及冲击波的累积作用导致无数激光束与试样表面相互作用所致。

残余应力

  主残余应力(RS)随深度的变化曲线如图2所示。主残余应力σmax和σmin分别表示LSPwC扫描横向(L)和纵向(T)的应力分量。

  初始状态试样的残余应力横向和纵向基本相同,范围在+47±15 MPa至-21±7 MPa之间。LSPwC处理后的主RS分析已显示出显著的抗压特性。

  据观察,在LSPwC处理中,σmax和σmin在深度分别达到约620μm和770μm时,变为拉伸状态。这样,最小主应力由于冲击波可获得较高的硬化深度(更高压缩),例如:LSPwC扫描方向的纵向。此外,LSPwC之后,当横向σmin=-407±81 MPa时,可在近表面(33μm)得到最高压缩RS。然后,可观察到常数梯度不断减小,直到最终深度为967μm。由于试样表面的冲击波压力过度,最高压缩RS将超过基础材料的“准”静态拉伸强度(Rm=327 MPa)。

腐蚀分析

  在图3的OCP瞬态(Eocp=f[t])中,与LSPwC试样相比,未处理试样的负值明显更多。另外,LSPwC之后可获得相对稳定且较高的电位值,表明处于氧化反应速率(IOx)等于缩减速率(IRed)的平衡状态。LSPwC处理后的这种行为更有可能是因为改良氧化铝的形成及处理区域的纳米结构提高了材料的耐蚀性和机械性能。未处理和LSPwC处理试样的线性伏安图结果(图4)证实了规定电势为-1.8VSCE时可获得相对较高的14 mA/cm2阴极电流。然后,由于试样表面生成氧化铝,导致-1.6 VSCE附近电流密度几乎为零的区域电势剧烈减少,这就是钝态平台的特点。未处理试样钝化区阳极扫描的电流密度几乎保持不变,直至达到-0.782 VSCE时。但是,对于LAPwc处理的试样,钝化区域大幅增加,例如,直至电势达到-0.64 VSCE。随后阳极电位迅速增加,表示超钝化区与氧化铝的溶解直接相关。显然,尽管粗糙度增加,经LSPwC处理的试样钝化区仍有所改进和扩展,说明与未处理的试样相比,其耐蚀性有所改善。此外,经LSPwC处理后,结束电位的阳极电流(-0.5 VSCE)被证实减小4倍(34.46 mA/cm2与8.61 mA/cm2)。

  应当注意的是,目前研究是在无防护涂层的加工试样表面进行LSP(LSPwC)。因此,激光脉冲形成的热量因表面熔化和等离子体电离而影响表面状态,表明LSPwC之后的化学稳定阶段,保护材料防止腐蚀。如图5所示,两个试样中均出现局部点腐蚀,然而,未处理试样中出现大腐蚀产物(CP)的点腐蚀强度更严重,其点腐蚀程度强烈且范围较大。
未处理试样的坑形状大多是“半”圆形或“半”椭圆形,直径范围为100-300μm。但是,经过LPSwC处理之后,获得重大改善,只观察到几个更小的半球状阳极坑。当电势的负极达到-1130 mVSCE时,将出现阴极腐蚀和OH¯离子积聚,同时点腐蚀呈现为表面光亮的陨石坑。

  纵观上述,由于LSPwC处理后近表面残余压应力的发展和钝化/氧化膜的改善,水分子、氧气和C1¯离子的穿透更加困难[5][6]。实际上,阳极腐蚀电位更多,钝化区域扩展且阴极电流减少,表明在腐蚀性氯环境中,LSPwC试样的腐蚀性更低。

结语

  LSPwC表面处理已经成为足以导致应变硬化和在表面建立-242 MPa高残余压应力的一种技术。然而,由于已处理表面受无数激光消融、等离子体和冲击波的影响,LSPwC后的表面粗糙度增加。OCP瞬态证实了LSPwC试样具有更多阳极和稳定的电位值,耐蚀性增强。此外,伏安法试验证实,与未处理试样相比,LSPwC后试样特性得到了提高,表面钝化区域更大,超钝化区更小,阳极电流密度大大减小。在未处理和LSPwC处理状态中均观察到局部点腐蚀。然而,尽管LSPwC试样的粗糙度增加,但钝化区域扩展,局部点腐蚀减少,从而验证了耐蚀性得到提高。局部腐蚀的电阻增加是因为在激光喷丸强化工艺中试样表面消融,形成改良的氧化膜,以及形成的高残余压应力,均阻碍了腐蚀的发展。

参考文献 – 延伸阅读

[1] Z. Szklarska-Smialowska. Corros. Sci. 41 (1999) 1742-1764.
[2] U. Trdan, J.L. Ocaña, J. Grum. J. Mech. Eng. 57(5) (2011) 385-393.
[3] U. Sánchez-Santana, C. Rubio-González, G. Gomez-Rosas, J.L. Ocaña, C. Molpeceres, J.A. Porro J, M. Morales M. Wear 260 (2006) 847-854.
[4] U. Trdan, J.A. Porro, J.L. Ocaña, J. Surf. Coat. Technol. 208 (2012) 109-116.
[5] U. Trdan, J. Grum J. Corros. Sci. 82 (2014) 328-338.
[6] U. Trdan, J. Grum. Corros. Sci. 59 (2012) 324-333.



作者:
Uros Trdan, PhD (a)
邮箱:uros.trdan@fs.uni-lj.si

Juan A. Porro PhD (b)
邮箱:japorro@etsii.upm.es

Prof.José L.Ocaña (b)
邮箱:jlocana@etsii.upm.es

Prof.Janez Grum (a)
邮箱:janez.grum@fs.uni-lj.si

(a) University of Ljubljana
Faculty of Mechanical Engineering, Slovenia

(b) Centro Láser U.P.M.
Carretera de Valencia km.7,300
28031 Madrid, Spain


 
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