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

(國網(wǎng)平?jīng)龉╇姽?，甘肅 平?jīng)?744000)

0 引 言

飛機上的構(gòu)件常常因為疲勞斷裂而失效，在長期服役過程中，構(gòu)件表面涂層會發(fā)生一定程度的開裂、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，因此飛機構(gòu)件的耐腐蝕性十分重要。民航局對我國民航客機的使用壽命及損傷原因調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，飛機的很多結(jié)構(gòu)件如龍梁骨、加強框以及艙門，在一定使用年限后都會出現(xiàn)不同程度的腐蝕損傷，這種腐蝕損傷對飛機的安全性能影響很大[3]。

7xxx系高強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，可時效析出強化，在變形和熱處理后具有高比強度和較好的疲勞性能。AA7075廣泛應(yīng)用于飛機結(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鋁基體可以做陰極或陽極，所以AA7075對晶間腐蝕、點蝕、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。尤其飛機圍護結(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，種種問題嚴(yán)重威脅著飛機飛行安全。

為提高飛機結(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)來改善其性能，提高其使用壽命[5-6]。筆者就激光噴丸表面強化工藝對航空鋁合金的耐腐蝕性性能的影響進行研討，研究發(fā)現(xiàn)通過激光噴丸表面強化，可以很好地提高材料的耐腐性，從而進一步提高其疲勞性能和服役壽命。該研究對提升航空鋁合金飛機構(gòu)件的腐蝕性能提供了參考，具有一定實際價值。

1 鋁合金預(yù)腐蝕與疲勞失效研究

航空構(gòu)件的一些腐蝕場景如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)件的腐蝕對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，研究腐蝕性能與疲勞壽命之間的關(guān)系具有重要實際意義。對于鋁合金而言，通過腐蝕試驗中的腐蝕形貌、腐蝕電流、腐蝕電位、腐蝕速率可以評判合金腐蝕性能。

圖1 腐蝕損傷的飛機結(jié)構(gòu)件

在對航空鋁合金的腐蝕研究中發(fā)現(xiàn)，使用EXCO溶液對7075-T6511鋁合金進行預(yù)腐蝕試驗時，L-S表面的預(yù)腐蝕會明顯降低疲勞壽命，如圖2所示，在EXCO溶液中暴露1 h，疲勞壽命減少超過50%，并且不同腐蝕時間產(chǎn)生的腐蝕坑形貌有明顯差異且其導(dǎo)致的應(yīng)力集中對疲勞裂紋的萌生和擴展也有不同的影響[7]。在3.5% NaCl溶液中對2024-T62鋁合金進行預(yù)腐蝕疲勞試驗也發(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間[8]。利用循環(huán)鹽霧法進行預(yù)腐蝕疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)點蝕對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展特性，并指出每個試樣形核凹坑數(shù)與應(yīng)力水平呈正相關(guān)[10]。這些研究充分說明改善合金耐腐蝕性能可以有效提升材料疲勞壽命，對于分析特定腐蝕行為對鋁合金構(gòu)件疲勞性能影響的機理具有重要意義。

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

2 激光噴丸表面強化技術(shù)

2.1 表面強化技術(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。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，因此表面強化技術(shù)具有重要研究價值。

表面強化技術(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；此外還有形變強化處理技術(shù)，例如機械噴丸、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)合的強化技術(shù)，例如淬火后噴丸及滲碳滲氮等后噴丸等。表面強化工藝具有成本低、效果顯著的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用，尤其適用于需要提高疲勞壽命的服役場景中。

研究發(fā)現(xiàn)，機械噴丸可以細(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在表層產(chǎn)生含鐵表層，使得耐蝕性更差[12]。有機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化表面的同時在其他方面產(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，膨脹會受到約束層的反作用力，因而產(chǎn)生遠(yuǎn)大于靶材屈服強度的沖擊波。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，塑性變形層深度和殘余壓應(yīng)力進一步提升，并且光能極快地轉(zhuǎn)變成機械能，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

采用TEM00模式的Q開關(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)。利用計算機精確控制試樣和工作臺的位置，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。

通過電化學(xué)腐蝕評估材料的腐蝕行為，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，使其開路電位穩(wěn)定，得到-0.5～1.5 V范圍內(nèi)的動態(tài)電位圖。在開路電位下，EIS的頻率范圍為100 kHz～10 MHz。腐蝕電流密度Icorr由Stern-Geary方程計算[13]：

(1)

式中：βa和βc是陽極和陰極的Tafel斜率；Rp是極化電阻。

采用重量損失法計算試樣的腐蝕速率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后的動電位極化曲線

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

將此電化學(xué)腐蝕試驗得到的特性參數(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)激光噴丸的時間增大到300 s時，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)變的低位錯密度納米顆粒，多個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，粗糙度、殘余壓應(yīng)力和位錯密度、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 激光噴丸對其它合金耐腐蝕性影響

研究發(fā)現(xiàn)，激光噴丸強化后的6082-T651鋁合金在NaCl溶液中腐蝕時，點蝕電位在增加的同時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)力腐蝕開裂和點蝕的影響，研究表明噴丸后的試樣幾乎沒有任何點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。例如在對鎳鋁青銅的研究中發(fā)現(xiàn)，相比未強化試樣，激光噴丸試件表面硬度提升也超過30%，在細(xì)化晶粒的同時還增加了小角度晶界的比例和位錯密度，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]。在對經(jīng)過激光噴丸強化的AZ31鎂合金的電化學(xué)腐蝕中發(fā)現(xiàn)，相比未噴丸強化試樣其腐蝕電位正移51 mV，腐蝕電流減小超過90%[18]。在對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，并且位錯和孿晶為沉淀相提供了大量形核位點，同時Cr元素的向外擴散使得表面形成富Cr氧化層，提高了耐高溫腐蝕的性能[19]。

4 結(jié) 語

文中通過對7075鋁合金制備的飛機結(jié)構(gòu)件腐蝕行為的研究，發(fā)現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕不僅會降低其有效載荷面積，而且會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，采用表面強化技術(shù)能夠顯著地提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性，進而使其使用壽命得以提高，通過激光噴丸可以改善7075等多種鋁合金構(gòu)件的腐蝕行為，明顯提高其使用性能，對航空航天事業(yè)的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。