激光沖擊對AISI430鐵素體不銹鋼抗蝕性影響

金成嘉，陳炳泉，李 緯，焦加飛，任旭東

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

引 言

鐵素體不銹鋼因其具有無鎳、抗氧化、抗應(yīng)力腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)大、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、家電行業(yè)、建筑工業(yè)等眾多領(lǐng)域[1-3]。鐵素體不銹鋼經(jīng)常處于腐蝕性較強(qiáng)的環(huán)境，所以對于鐵素體不銹鋼的抗局部腐蝕能力提出了更高的要求。目前增強(qiáng)材料抗腐蝕性能的方法有很多，主要有電化學(xué)保護(hù)法[4]、材料表面鍍層[5]等，但這些方法成本過高且不易實(shí)現(xiàn)。因此，需要一種加工精度高且柔性好的表面改性技術(shù)來提高鐵素體不銹鋼的抗腐蝕能力。

激光沖擊強(qiáng)化(laser shock peening,LSP)是近幾十年來才出現(xiàn)的一種新的表面處理技術(shù)，其使用高功率密度和短脈沖寬度的強(qiáng)激光輻照材料表面，利用激光施加的沖擊波的動態(tài)力效應(yīng)來改變材料表面性能。激光沖擊強(qiáng)化會使得材料的表面發(fā)生晶粒細(xì)化[6]，并在材料表層形成一定深度的殘余壓應(yīng)力區(qū)域[7]，對于金屬材料的磨損、腐蝕和疲勞等失效的優(yōu)化有著顯著的效果[8-9]。目前對于激光沖擊強(qiáng)化對抗腐蝕性能的影響涉及到多種材料。GE等人[10]研究了激光沖擊對AZ31B鎂合金在模擬體液中抗腐蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)激光沖擊試樣的自腐蝕電位正移，腐蝕電流密度下降。LU等人[11]研究了不同激光沖擊次數(shù)對AISI4145鋼抗腐蝕性能的影響，證明激光沖擊可以提高試樣的耐腐蝕性能。EBRAHIMI等人[12]研究了激光沖擊對ANSI316L不銹鋼抗腐蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)激光沖擊增強(qiáng)了材料的抗腐蝕性能，并且強(qiáng)化效果隨激光能量增加而增加。但是關(guān)于激光沖擊強(qiáng)化鐵素體不銹鋼抗腐蝕性能的研究目前還鮮有相關(guān)報道。

AISI430鐵素體不銹鋼是目前產(chǎn)量和使用量最多的鐵素體不銹鋼。激光沖擊強(qiáng)化可以為AISI430鐵素體不銹鋼的加工提供新的可能性。本文中主要探究不同激光能量下AISI430鐵素體不銹鋼的表面殘余應(yīng)力及抗腐蝕能力的變化。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和激光沖擊參量

本文中選用的材料為AISI430鐵素體不銹鋼，其常溫下的化學(xué)成分如表1所示。本次實(shí)驗(yàn)的試樣尺寸為20mm×20mm×3mm的方塊試樣，依次使用400#～2000#的水砂紙將待進(jìn)行激光沖擊的試樣表面打磨光滑，然后將打磨好的試樣用酒精清洗。

激光沖擊實(shí)驗(yàn)采用江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的Nd∶YAG激光沖擊設(shè)備。本次激光沖擊實(shí)驗(yàn)中選取厚度均勻的水流作為約束層，厚度為0.1mm的鋁箔為吸收層，具體的激光沖擊參量如表2所示，激光沖擊路徑如圖1所示。

Table 1 Mass fraction of AISI430 ferritic stainless steel[13]

1.2 殘余應(yīng)力檢測

殘余應(yīng)力的測量設(shè)備為LXRD型Х射線應(yīng)力測定儀。測試方法采用側(cè)傾固定Ψ法；2θ掃描起始角和終止角分別為162°和150°，掃描步距0.1°；定峰方法為交相關(guān)法；計(jì)數(shù)時間為0.5s；Ψ角為0°,25°,35°和45°；X光管高壓值選取22kV，電流值選取6mA。測量時采用逐層剝落法，在每一層表面上選取3個點(diǎn)進(jìn)行測量，再求3點(diǎn)的平均值作為該層的殘余應(yīng)力值。

1.3 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中所使用的設(shè)備為CHI760E型電化學(xué)工作站。實(shí)驗(yàn)中使用的腐蝕溶液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.035的NaCl溶液，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片電極。開路電位的測試時間設(shè)置為300s；阻抗譜的測試時電位設(shè)置為開路電位值，頻率選取為0.1Hz～100000Hz，交流電壓選取為10mV；極化曲線測量時，初始電位設(shè)置為-0.6V，終止電位設(shè)置為0.2V，掃描速率為0.005V/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 殘余應(yīng)力分析

圖2為不同激光能量沖擊下AISI430鐵素體不銹鋼試樣的截面殘余應(yīng)力分布圖。原始試樣的表面表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，而經(jīng)過激光沖擊后的AISI430不銹鋼試樣的表面都是殘余壓應(yīng)力。激光能量為3J,5J和7J時，AISI430鐵素體不銹鋼的表面殘余壓應(yīng)力分別為233MPa,284MPa和339MPa。隨著激光能量的增加，試樣表面的殘余壓應(yīng)力的幅值也得到提升。激光能量為3J時，試樣的殘余應(yīng)力層深度達(dá)到400μm。激光能量提升到5J和7J時，殘余應(yīng)力層的深度分別提升到800μm和900μm左右。當(dāng)激光作用在試樣表面時，試樣表面的吸層會吸收激光的絕大部分能量，并形成壓力極高的等離子體沖擊波。受約束層的約束作用，沖擊波向試樣內(nèi)部傳播，當(dāng)沖擊波壓力大于靶材雨貢紐彈性極限時，激光沖擊的區(qū)域發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力[14]。

Fig.2 Cross-section residual stress before and after LSP with different laser energies

2.2 極化曲線

圖3是不同能量激光沖擊下的AISI430鐵素體不銹鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.035的NaCl溶液下的極化曲線。從圖中可以看出，激光沖擊后的試樣的自腐蝕電位相較于原始試樣要偏向于正方向。隨著激光能量的增加，試樣的自腐蝕電位也在向正方向偏移，說明試樣的腐蝕傾向降低，在腐蝕熱力學(xué)上的穩(wěn)定性提高。

Fig.3 Polarization curves of AISI430 stainless steel in NaCl solution(mass fraction of 0.035) before and after LSP with different energies

各極化曲線所得出的特征值如表3所示，Ecorr為自腐蝕電位，icorr為腐蝕電流密度。腐蝕電流密度是衡量抗腐蝕能力的一個重要因素之一，腐蝕電流密度越低表示試樣的腐蝕速率越慢[15]。從表中可以看出，激光沖擊后AISI430鐵素體不銹鋼的腐蝕電流密度明顯降低。相比于原始試樣，3J,5J和7J激光能量沖擊的試樣的腐蝕電流密度分別減少了24.1μA/cm-2， 25.18μA/cm-2和28.18μA/cm-2。這表明經(jīng)過激光沖擊處理過后的AISI430鐵素體不銹鋼的腐蝕速度下降，抗腐蝕性能得到提升。

Table 3 Tafel parameters of AISI430 stainless steel in NaCl solution(mass fraction of 0.035)

sampleEcorr/mVicorr/(μA·cm-2)original-25130.71LSP,3J-2276.61LSP,5J-2025.53LSP,7J-1924.43

2.3 電化學(xué)阻抗譜

在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.035的NaCl溶液中測出的AISI430鐵素體不銹鋼試樣的電化學(xué)阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)圖及其等效電路如圖4所示。橫坐標(biāo)Z′為阻抗實(shí)部，縱坐標(biāo)Z″為阻抗虛部。從圖中可以看出，不同能量沖擊過的AISI430不銹鋼在NaCl溶液中測出的阻抗譜都呈典型的單個容抗弧狀，容抗弧的半徑大小表明了AISI430不銹鋼試樣的抗腐蝕能力。激光沖擊后的試樣的容抗弧明顯要大于未經(jīng)過激光沖擊的試樣的容抗弧，并且隨著沖擊能量的提高，容抗弧的半徑也隨之增大。等效電路圖中，Rs為溶液的電阻，Rp為試樣的反應(yīng)電阻,CPE(constant phase element)代表恒相位角原件[16]。

Fig.4 EIS and equivalent circuit of AISI430 stainless steel in NaCl solution(mass fraction of 0.035) before and after LSP with different laser energies equivalent circuit

表4為等效電路的擬合數(shù)據(jù)，表中TCPE和PCPE分別是CPE的兩個參量。從表中可以看出，在NaCl溶液中，隨著激光能量的上升，試樣的反應(yīng)電阻也在逐漸上升，說明激光沖擊后，試樣表面鈍化膜的溶解速度減慢。同時，激光沖擊后彌散系數(shù)PCPE增大說明激光沖擊可以使AISI430鐵素體不銹鋼在腐蝕過程中離子通過表面鈍化膜的阻力增大，在膜內(nèi)的擴(kuò)散能力減弱，鈍化膜的穩(wěn)定性提高。這些說明了激光沖擊使AISI430鐵素體不銹鋼抗腐蝕性能得到提升，同時也與所得的極化曲線結(jié)果一致。

Table 4 Fitting data of equivalent circuit

2.4 腐蝕微觀形貌

AISI430鐵素體不銹鋼在NaCl溶液中電化學(xué)腐蝕后所得到的微觀形貌如圖5所示。從圖中可以看出，原始試樣表面有明顯的腐蝕凹坑,且有較多的條帶狀腐蝕。從極化曲線中可以得出，AISI430鐵素體不銹鋼在NaCl溶液中發(fā)生點(diǎn)蝕的傾向較小，但其本身存在的條帶狀組織具有電化學(xué)不均勻性，所以會發(fā)生腐蝕微電池反應(yīng)，并且AISI430不銹鋼處于未結(jié)晶狀態(tài)，擁有較高能量，最終表現(xiàn)為條帶狀的腐蝕痕跡[17]。經(jīng)過3J激光能量沖擊后的試樣表面上只有零星的幾個腐蝕凹坑，且腐蝕凹坑的直徑要遠(yuǎn)小于原始試樣，試樣表面的條帶狀腐蝕痕跡也明顯減少。當(dāng)激光能量提升到5J和7J時，試樣表面的腐蝕痕跡進(jìn)一步減少。由此說明激光沖擊強(qiáng)化可以增強(qiáng)AISI430鐵素體不銹鋼的抗腐蝕性能。

Fig.5 Electrochemical corrosion morphologies of AISI430 stainless steel in NaCl solution(mass fraction of 0.035)

a—original b—3J c—5J d—7J

2.5 分析與討論

AISI430鐵素體不銹鋼電化學(xué)腐蝕的過程主要分為3個階段[18]，其示意圖如圖6所示。

Fig.6 Schematic diagram of AISI430 ferritic stainless steel during corrosion

第一階段為活性溶解階段，作為陽極的Fe和Cr溶解后以離子的形式進(jìn)入溶液中；第二階段為鈍化階段，此時材料表面生成一層FeO氧化膜，將溶液與基體分隔，并保護(hù)基體不被腐蝕，也可以防止基體進(jìn)一步的發(fā)生氧化；第三階段為過鈍化階段，此時材料表面的氧化膜被Cl-離子侵蝕，逐漸產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷，最終喪失保護(hù)能力，基體再次發(fā)生腐蝕。原始試樣的表面氧化膜較為疏松，易被Cl-離子侵蝕，腐蝕速度較快。激光沖擊強(qiáng)化可以在試樣的表面引入一層殘余壓應(yīng)力，在腐蝕過程中，殘余壓應(yīng)力的存在可以有效減少氧化膜的破裂，降低氧化膜的內(nèi)部缺陷，使得腐蝕表面生成的氧化膜更加穩(wěn)定、致密，難以受到Cl-離子的侵蝕，從而減緩了材料腐蝕的速度，提高了AISI430鐵素體不銹鋼抵抗腐蝕的能力。且激光能量的增加會使表面殘余壓應(yīng)力的幅值變大，從而使表面的氧化膜更加穩(wěn)定，增強(qiáng)了抗腐蝕性能。

3 結(jié) 論

本文中以AISI430鐵素體不銹鋼作為研究對象，通過不同能量的激光沖擊對AISI430鐵素體不銹鋼進(jìn)行表面強(qiáng)化，使用X射線應(yīng)力測試儀及電化學(xué)工作站對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測。

(1)激光沖擊過后AISI430鐵素體不銹鋼表層會有一層殘余壓應(yīng)力，且隨著激光的能量增強(qiáng)，殘余壓應(yīng)力的幅值增大，殘余壓應(yīng)力最大幅值可達(dá)到339MPa。

(2)激光沖擊強(qiáng)化可以使AISI430鐵素體不銹鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.035的NaCl溶液中的自腐蝕電位發(fā)生正移，降低試樣的腐蝕電流密度，減少了試樣腐蝕表面的腐蝕凹坑和條帶狀腐蝕，增強(qiáng)了AISI430鐵素體不銹鋼在NaCl溶液中的抗腐蝕性能。

(3)激光沖擊強(qiáng)化后，AISI430鐵素體不銹鋼抗腐蝕性能提升可能是因?yàn)榧す鉀_擊可以在AISI430不銹鋼試樣表層引入一層殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力可以使試樣表面在腐蝕過程中生成的氧化膜更加致密，從而保護(hù)基體。