基于激光噴丸技術(shù)的7075鋁合金耐腐蝕性能研究*

何沛賢，姜 涵，張 彤

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0 引 言

飛機(jī)上的構(gòu)件常常因?yàn)槠跀嗔讯В陂L(zhǎng)期服役過(guò)程中，構(gòu)件表面涂層會(huì)發(fā)生一定程度的開(kāi)裂、脫落等，最終不可避免地產(chǎn)生腐蝕[1]。構(gòu)件的腐蝕降低了其有效承載面積，從而導(dǎo)致宏觀和微觀的應(yīng)力集中增加，最終使得零部件的疲勞壽命顯著降低[2]。腐蝕大大降低了材料的疲勞壽命，因此飛機(jī)構(gòu)件的耐腐蝕性十分重要。民航局對(duì)我國(guó)民航客機(jī)的使用壽命及損傷原因調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)的很多結(jié)構(gòu)件如龍梁骨、加強(qiáng)框以及艙門(mén)，在一定使用年限后都會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕損傷，這種腐蝕損傷對(duì)飛機(jī)的安全性能影響很大[3]。

7xxx系高強(qiáng)航空鋁合金在航空領(lǐng)域廣泛使用，其以Zn、Mg、Cu為添加元素，可時(shí)效析出強(qiáng)化，在變形和熱處理后具有高比強(qiáng)度和較好的疲勞性能。AA7075廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)和模具制造等領(lǐng)域[4]。然而由于合金中添加的相對(duì)鋁基體可以做陰極或陽(yáng)極，所以AA7075對(duì)晶間腐蝕、點(diǎn)蝕、剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕裂紋等局部腐蝕的敏感性較高，使得采用這種合金制造的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件極易腐蝕，因而需要著重關(guān)注其腐蝕行為。尤其飛機(jī)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的梁、縱桁等非表面結(jié)構(gòu)腐蝕隱蔽而且檢查困難，種種問(wèn)題嚴(yán)重威脅著飛機(jī)飛行安全。

為提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的耐腐蝕性和安全性，可以采取一些表面處理技術(shù)來(lái)改善其性能，提高其使用壽命[5-6]。筆者就激光噴丸表面強(qiáng)化工藝對(duì)航空鋁合金的耐腐蝕性性能的影響進(jìn)行研討，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)激光噴丸表面強(qiáng)化，可以很好地提高材料的耐腐性，從而進(jìn)一步提高其疲勞性能和服役壽命。該研究對(duì)提升航空鋁合金飛機(jī)構(gòu)件的腐蝕性能提供了參考，具有一定實(shí)際價(jià)值。

1 鋁合金預(yù)腐蝕與疲勞失效研究

航空構(gòu)件的一些腐蝕場(chǎng)景如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)件的腐蝕對(duì)疲勞性能的影響十分明顯，航空構(gòu)件多為疲勞失效，因此結(jié)合疲勞試驗(yàn)，研究腐蝕性能與疲勞壽命之間的關(guān)系具有重要實(shí)際意義。對(duì)于鋁合金而言，通過(guò)腐蝕試驗(yàn)中的腐蝕形貌、腐蝕電流、腐蝕電位、腐蝕速率可以評(píng)判合金腐蝕性能。

圖1 腐蝕損傷的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件

在對(duì)航空鋁合金的腐蝕研究中發(fā)現(xiàn)，使用EXCO溶液對(duì)7075-T6511鋁合金進(jìn)行預(yù)腐蝕試驗(yàn)時(shí)，L-S表面的預(yù)腐蝕會(huì)明顯降低疲勞壽命，如圖2所示，在EXCO溶液中暴露1 h，疲勞壽命減少超過(guò)50%，并且不同腐蝕時(shí)間產(chǎn)生的腐蝕坑形貌有明顯差異且其導(dǎo)致的應(yīng)力集中對(duì)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展也有不同的影響[7]。在3.5% NaCl溶液中對(duì)2024-T62鋁合金進(jìn)行預(yù)腐蝕疲勞試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了預(yù)腐蝕大幅減小疲勞壽命的類似結(jié)論，原因在于預(yù)腐蝕改變了疲勞小裂紋萌生的位置和所需時(shí)間[8]。利用循環(huán)鹽霧法進(jìn)行預(yù)腐蝕疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕對(duì)7075-T6鋁合金疲勞壽命的影響與等效應(yīng)力集中因子有關(guān)[9]。浸入預(yù)腐蝕法研究了預(yù)腐蝕2024-T3鋁合金的多重疲勞裂紋擴(kuò)展特性，并指出每個(gè)試樣形核凹坑數(shù)與應(yīng)力水平呈正相關(guān)[10]。這些研究充分說(shuō)明改善合金耐腐蝕性能可以有效提升材料疲勞壽命，對(duì)于分析特定腐蝕行為對(duì)鋁合金構(gòu)件疲勞性能影響的機(jī)理具有重要意義。

圖2 7075-T6511的疲勞壽命特性與EXCO暴露時(shí)間的關(guān)系

2 激光噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)

2.1 表面強(qiáng)化技術(shù)概述

航空航天及石油化工等重大領(lǐng)域中的關(guān)鍵構(gòu)件服役期的提升始終是研究熱點(diǎn)。在大多失效的研究中發(fā)現(xiàn)，疲勞斷裂等失效大都起始于表面或僅發(fā)生在表面和亞表面，因此表面強(qiáng)化技術(shù)具有重要研究?jī)r(jià)值。

表面強(qiáng)化技術(shù)可以分類三大類[11]，首先如精磨、拋光等降低粗糙度的技術(shù)；其次是表面熱處理與化學(xué)處理技術(shù)，例如淬火、滲碳、滲氮、碳氮共滲等；此外還有形變強(qiáng)化處理技術(shù)，例如機(jī)械噴丸、激光噴丸等；在以上三大類基本技術(shù)的基礎(chǔ)上還發(fā)展了兩種技術(shù)復(fù)合的強(qiáng)化技術(shù)，例如淬火后噴丸及滲碳滲氮等后噴丸等。表面強(qiáng)化工藝具有成本低、效果顯著的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用，尤其適用于需要提高疲勞壽命的服役場(chǎng)景中。

研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械噴丸可以細(xì)化晶粒尺寸、降低表面粗糙度、提高表面壓應(yīng)力、提高耐蝕性。但是有一些情況例外，例如鋼球的錘擊也會(huì)在表層產(chǎn)生含鐵表層，使得耐蝕性更差[12]。有機(jī)涂層等方法改變了表面化學(xué)成分，使得基體和表面之間產(chǎn)生尖銳界面，因此一些改性方法在強(qiáng)化表面的同時(shí)在其他方面產(chǎn)生了消極的影響，相比之下激光噴丸的負(fù)影響小很多。

2.2 激光噴丸

激光噴丸相比傳統(tǒng)機(jī)械噴丸具有較大不同，其原理如圖3所示。首先工件上需要有吸收層(如黑色涂料、鋁箔等)，使用高頻、高功率、短脈沖的激光穿過(guò)約束層(水流或玻璃)沖擊工件，吸收層受激光輻照而迅速發(fā)生物理變化，氣化后又被迅速電離成等離子體。等離子體被激光輻照而體積膨脹，膨脹會(huì)受到約束層的反作用力，因而產(chǎn)生遠(yuǎn)大于靶材屈服強(qiáng)度的沖擊波。受到?jīng)_擊的工件表面和亞表面發(fā)生一定程度的塑性變形，其微觀組織和應(yīng)力分布都發(fā)生改變。這種改變對(duì)材料的疲勞性能、耐磨性能、耐腐蝕性能都有顯著提高。

圖3 激光噴丸原理示意圖

與機(jī)械噴丸等其他噴丸工藝相比，激光噴丸具有壓力更大、應(yīng)變速率更高的特點(diǎn)，塑性變形層深度和殘余壓應(yīng)力進(jìn)一步提升，并且光能極快地轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，使能量利用效率更高。另外，激光的尺寸和路徑都是精確可控的，也使得這種工藝的區(qū)域靶向性更好，可重復(fù)性也更好。

3 表面強(qiáng)化提高AA7075耐腐蝕性能

3.1 激光噴丸及AA7075電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)

采用TEM00模式的Q開(kāi)關(guān)Nd:YAG激光器作為激光噴丸的設(shè)備。黑色涂料(1 mm厚)和水(1～2 mm)分別用作燒蝕吸收層和約束介質(zhì)。利用計(jì)算機(jī)精確控制試樣和工作臺(tái)的位置，試樣/靶標(biāo)被放在真空室中，以避免空氣中光束擊穿介質(zhì)而產(chǎn)生高壓沖擊波。

通過(guò)電化學(xué)腐蝕評(píng)估材料的腐蝕行為，采用GAMRY穩(wěn)壓器分析在3.5% NaCl溶液中的動(dòng)電位極化和電化學(xué)阻抗譜。穩(wěn)壓器包含三電極電池模式，其中石墨作為輔助電極，甘汞電極作為參比電極，未激光噴丸(un-USSP)/激光噴丸不同時(shí)間(USSP-15、30、60、300，單位：s)的試樣作為工作電極。將表面積為1 cm2的試樣在3.5% NaCl溶液中浸泡30 min，使其開(kāi)路電位穩(wěn)定，得到-0.5～1.5 V范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)電位圖。在開(kāi)路電位下，EIS的頻率范圍為100 kHz～10 MHz。腐蝕電流密度Icorr由Stern-Geary方程計(jì)算[13]：

(1)

式中：βa和βc是陽(yáng)極和陰極的Tafel斜率；Rp是極化電阻。

采用重量損失法計(jì)算試樣的腐蝕速率Corrosion Rate(CR)[13]：

(2)

式中：K為常數(shù)，K=8.76×104；W為損失的質(zhì)量；A、T分別為腐蝕面積和腐蝕時(shí)間；ρ為試樣的密度。

3.2 激光噴丸提高AA7075耐腐蝕性

如圖4所示是不同試樣的動(dòng)極化電位曲線，A區(qū)域顯示了腐蝕電位附近的極化行為，B區(qū)域反應(yīng)了試樣表面的點(diǎn)蝕行為。

圖4 un-USSP和USSPed 的AA7075樣品在3.5% NaCl溶液中暴露30 min后的動(dòng)電位極化曲線

從圖4中可以看出USSP 15試樣的點(diǎn)蝕行為發(fā)生的陽(yáng)極電位最高(-0.517V)。說(shuō)明噴丸時(shí)間為15 s時(shí)，試樣形成了較好的抗點(diǎn)蝕表面。區(qū)域C中陽(yáng)極曲線末端重疊說(shuō)明了鈍化膜消失的陽(yáng)極電位，激光噴丸后鈍化膜消失所需的陽(yáng)極電位更高。

將此電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)得到的特性參數(shù)繪制成表，如表1所列。

表1 un-USSP和USSPed 的AA7075腐蝕特性參數(shù)

從表1中可以看出USSP 15的腐蝕電流密度最低，腐蝕速率也最低，說(shuō)明在該工藝條件下材料具有最好的耐腐蝕性能。當(dāng)激光噴丸的時(shí)間增大到300 s時(shí)，腐蝕性能反而下降。如圖5所示，激光噴丸15 s的試樣具有最高的表面質(zhì)量。

圖5 7075鋁合金激光噴丸后的截面形貌

在腐蝕后的形貌觀察和微觀表征中發(fā)現(xiàn)，USSP 15試樣的耐腐蝕性能更好的原因在于腐蝕過(guò)程中表面形成了均勻的腐蝕產(chǎn)物，形成具有微小應(yīng)變的低位錯(cuò)密度納米顆粒，多個(gè)影響因素均處于最佳條件，所以工藝表現(xiàn)出更好的耐蝕性。

超聲噴丸在不改變表面成分的前提下將材料表層的微觀組織細(xì)化至納米級(jí)別，納米晶有助于鈍化層的形成，這是所有激光噴丸試樣相比未噴丸試樣耐蝕性都好的原因。同時(shí)，粗糙度、殘余壓應(yīng)力和位錯(cuò)密度、裂紋都是影響腐蝕性的關(guān)鍵因素。在USSP 30、60和300試樣中，表面粗糙度較高，表面不均勻性現(xiàn)象嚴(yán)重，表面開(kāi)裂惡化了鈍化膜的特性，導(dǎo)致耐蝕性較差。

3.3 激光噴丸對(duì)其它合金耐腐蝕性影響

研究發(fā)現(xiàn)，激光噴丸強(qiáng)化后的6082-T651鋁合金在NaCl溶液中腐蝕時(shí)，點(diǎn)蝕電位在增加的同時(shí)Icorr值降低。這是由于激光噴丸期間產(chǎn)生的高殘余壓應(yīng)力，增強(qiáng)了鈍化性和高極化電阻，因此具有較好的耐蝕性[14]。將攪拌摩擦焊的AA7075激光噴丸后暴露在3.5% NaCl溶液中，研究應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和點(diǎn)蝕的影響，研究表明噴丸后的試樣幾乎沒(méi)有任何點(diǎn)蝕或晶間腐蝕的跡象。此外，與未噴丸試樣相比，噴丸試樣中的凹坑尺寸和數(shù)量要少得多[15]。

除鋁合金外，激光噴丸技術(shù)在其它合金中也有廣泛應(yīng)用。例如在對(duì)鎳鋁青銅的研究中發(fā)現(xiàn)，相比未強(qiáng)化試樣，激光噴丸試件表面硬度提升也超過(guò)30%，在細(xì)化晶粒的同時(shí)還增加了小角度晶界的比例和位錯(cuò)密度，改善了未噴丸試樣的選相腐蝕的較差腐蝕性能[16]。在鎂合金的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著激光能量增大，試樣的耐腐蝕性也得到了提高，1.0、1.5、2.0 J 試樣相比未噴丸試樣自腐蝕電流分別減少了 36.48%、50.26%、60.42%，自腐蝕電位正移明顯[17]。在對(duì)經(jīng)過(guò)激光噴丸強(qiáng)化的AZ31鎂合金的電化學(xué)腐蝕中發(fā)現(xiàn)，相比未噴丸強(qiáng)化試樣其腐蝕電位正移51 mV，腐蝕電流減小超過(guò)90%[18]。在對(duì)鎳基高溫合金的高溫噴丸后發(fā)現(xiàn)，表層的晶粒細(xì)化明顯，并且位錯(cuò)和孿晶為沉淀相提供了大量形核位點(diǎn)，同時(shí)Cr元素的向外擴(kuò)散使得表面形成富Cr氧化層，提高了耐高溫腐蝕的性能[19]。

4 結(jié) 語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)7075鋁合金制備的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件腐蝕行為的研究，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕不僅會(huì)降低其有效載荷面積，而且會(huì)引起或增加宏觀和微觀應(yīng)力集中，從而顯著降低了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，采用表面強(qiáng)化技術(shù)能夠顯著地提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性，進(jìn)而使其使用壽命得以提高，通過(guò)激光噴丸可以改善7075等多種鋁合金構(gòu)件的腐蝕行為，明顯提高其使用性能，對(duì)航空航天事業(yè)的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。