激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)對金屬材料抗應(yīng)力腐蝕的影響及應(yīng)用

程 格，栗子林

（1.陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 陽江 529500；2.陽江市五金刀剪產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 陽江 529533）

1 引言

應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）是引起金屬材料失效的主要原因之一[1]，它是金屬結(jié)構(gòu)材料服役過程中在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的協(xié)同作用下，表面局部位置產(chǎn)生微裂紋并發(fā)展，直至發(fā)生斷裂。應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象

SCC 破壞性很大，斷裂前往往沒有明顯變形，很難對其加以預(yù)測，常常造成災(zāi)難性事故。經(jīng)過大量的研究表明，SCC微裂紋往往起源于工件表面[2]。

因此，改善金屬材料的表面質(zhì)量，強(qiáng)化其表面性能，增強(qiáng)工件的性能和壽命成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。

激光表面強(qiáng)化技術(shù)具有自動化程度高、實(shí)用性強(qiáng)、與工件表面無接觸、工件熱變形小等加工優(yōu)勢，因此，被廣泛用于工業(yè)制造領(lǐng)域，并得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。其中，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)被普遍用來提高金屬材料表面抗應(yīng)力腐蝕的能力。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是利用短脈沖高能密度激光束照射到金屬材料表面上，迫使材料表面產(chǎn)生大量的等離子體，等離子體膨脹對金屬表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，使金屬材料表面達(dá)到強(qiáng)化[3]。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)具有強(qiáng)化層深度深、無熱影響區(qū)等特點(diǎn)，且不會破壞金屬材料表面完整性。

2 激光沖擊強(qiáng)化提高材料抗應(yīng)力腐蝕的機(jī)理

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是利用功率密度為109 W/cm2量級的激光發(fā)生器在納秒級脈沖范圍內(nèi)發(fā)射1～100 J 的激光束，激光束穿過材料表面的約束層照射到材料的能量吸收層上。吸收層材料在吸收大量的激光能量后，瞬間發(fā)生氣化形成高溫和高壓的等離子體，等離子體繼續(xù)吸收激光能量并迅速向外噴射。

由于約束層的存在，等離子體的膨脹受到約束限制，導(dǎo)致等離子體壓力進(jìn)一步升高，直到等離子體爆炸產(chǎn)生高強(qiáng)度的沖擊波沖擊金屬材料的表面并向內(nèi)傳播，從而使材料表面發(fā)生塑性變形并產(chǎn)生殘留壓應(yīng)力[4]。

在激光沖擊強(qiáng)化過程中，等離子體沖擊波壓力值可以達(dá)到數(shù)千兆帕[5]，而金屬原材料的動態(tài)屈服強(qiáng)度極小于此沖擊波壓力極值，使得金屬原材料有序的晶體結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生大量的位錯及位錯運(yùn)動，并形成亞晶界以及致密的等軸晶，甚至納米晶。由于激光沖擊強(qiáng)化材料表面形成的殘余壓應(yīng)力以及組織的變化，在一定程度上遏制裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而達(dá)到提高金屬材料抗應(yīng)力腐蝕的目的。

激光沖擊強(qiáng)化如圖2所示。

圖2 激光沖擊強(qiáng)化示意圖

3 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在材料中抗應(yīng)力腐蝕的研究

國內(nèi)外專家學(xué)者針對不同材料分別研究了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在抗應(yīng)力腐蝕方面的作用。

TRDAN[6]等研究了激光沖擊強(qiáng)化對鋁合金在氯化物環(huán)境下的腐蝕特性的影響。結(jié)果表明，相比未沖擊試樣，經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化后的試樣鈍化膜厚度較薄，且分布不均勻，這是由于沖擊后所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力抑制腐蝕造成的，即經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化后鋁合金的抗腐蝕性能顯著增強(qiáng)。

江蘇大學(xué)的葛茂忠等人[7]采用優(yōu)化后的激光沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)對軋制態(tài)的AZ31B 鎂合金薄板試樣進(jìn)行沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，鎂合金晶粒得到明顯細(xì)化，晶粒大小20 μm 左右細(xì)化到10 μm 左右，試樣表面激光誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力高達(dá)-126 MPa。激光沖擊誘導(dǎo)的晶粒細(xì)化及殘余壓應(yīng)力的存在能抑制鎂合金材料的應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

江蘇大學(xué)的LU 等人[8]研究了激光沖擊對ANSI304 奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕性能的影響，結(jié)果表明激光沖擊強(qiáng)化顯著提高了該不銹鋼的表面殘余壓應(yīng)力，并且細(xì)化了晶粒，導(dǎo)致其應(yīng)力腐蝕裂紋明顯減少甚至不發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，從而提高了ANSI304 奧氏體不銹鋼抗應(yīng)力腐蝕能力。

空軍工程大學(xué)的何衛(wèi)鋒等人[9]研究了激光沖擊強(qiáng)化對316 L 奧氏體不銹鋼焊接接頭應(yīng)力腐蝕性能的影響及其作用機(jī)理。結(jié)果表明激光沖擊波使得焊接接頭部位產(chǎn)生了高數(shù)值的殘余壓應(yīng)力，消除了殘余拉應(yīng)力，降低局部應(yīng)力梯度，同時使焊接接頭微觀組織均勻和細(xì)化，提高了微裂紋萌生的條件，兩種因素的共同作用，使得不銹鋼焊接接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能顯著增強(qiáng)。

常州大學(xué)的孔德軍等人[10]研究了激光沖擊處理對X70管線鋼焊接接頭抗H2S 應(yīng)力腐蝕開裂行為的影響。結(jié)果表明經(jīng)激光沖擊處理后X70 管線鋼焊接接頭斷口形式由脆性斷裂轉(zhuǎn)為韌性斷裂，韌窩尺寸與深度變小，激光沖擊處理降低了氫致開裂和SCC 的傾向，提高了焊接接頭抗H2S 應(yīng)力腐蝕的能力。

南京工業(yè)大學(xué)的彭薇薇等人[11]研究了激光沖擊強(qiáng)化對304 不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕性能的影響。研究表明激光沖擊強(qiáng)化后，不銹鋼焊接接頭表層形成了厚度超過1 mm 的殘余壓應(yīng)力層，該殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生明顯的提高了304 不銹鋼焊接接頭在120 ℃的MgCl2溶液抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力。

4 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)抗應(yīng)力腐蝕的典型工業(yè)化應(yīng)用

國際上對激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行了相當(dāng)長時間的研究，但目前大多數(shù)還只是實(shí)驗(yàn)性研究，將該技術(shù)用于工業(yè)生產(chǎn)的只有日本的Toshiba 公司、美國的MIC、GEAE 和LSPT 等極為少數(shù)的公司。

日本的Toshiba 公司利用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)處理核電站汽輪機(jī)葉片易斷裂部位，并采用水下激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)、便攜激光沖擊系統(tǒng)對核電站易應(yīng)力腐蝕關(guān)鍵部位進(jìn)行在線沖擊強(qiáng)化處理，通過改變核反應(yīng)器的殘余應(yīng)力狀態(tài)，大大降低了其應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生，提高了核反應(yīng)器的安全性與可靠性，使其具有更長的服役時間和更低的運(yùn)行成本。

美國海軍采用自主研發(fā)的便攜式激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)處理艦船設(shè)備上的33 mmNi 基厚板焊縫及易應(yīng)力腐蝕部位，通過誘導(dǎo)高幅厚深度的殘余壓應(yīng)力層，大大提高了艦船的抗應(yīng)力腐蝕能力。

美國MIC 公司使用一種移動式激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)對核反應(yīng)堆上的焊縫進(jìn)行處理，消除了焊縫的殘余拉應(yīng)力從而阻止了應(yīng)力腐蝕裂紋。該技術(shù)對在役的和新建的核反應(yīng)堆都有明顯效果，其主要因素在于激光沖擊波誘導(dǎo)的晶粒細(xì)化和殘余壓應(yīng)力。

國內(nèi)研究者對激光沖擊強(qiáng)化的工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。2011年，中科院沈陽自動化團(tuán)隊(duì)向沈陽黎明發(fā)動機(jī)有限公司交付首臺整體葉盤激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備，填補(bǔ)了中國無工業(yè)應(yīng)用激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備的空白。但是，由于國內(nèi)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究比較晚，受設(shè)備、關(guān)鍵技術(shù)及成本的限制，尚未能有效進(jìn)行工業(yè)化推廣。

5 結(jié)論

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)作為一種新型的金屬表面改性手段，可以使金屬表面形成有效殘余壓應(yīng)力層，細(xì)化晶粒，致密材料微觀組織，有效改善金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕能力，延長金屬使用壽命。

隨著對激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究的日益深入，以及激光器制造工藝的成熟，這項(xiàng)技術(shù)必將在金屬抗應(yīng)力腐蝕領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。