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 機械工程學院，鎮江 212013)

引 言

鐵素體不銹鋼因其具有無鎳、抗氧化、抗應力腐蝕、導熱系數大、價格便宜等優點，已經廣泛應用于汽車制造業、家電行業、建筑工業等眾多領域[1-3]。鐵素體不銹鋼經常處于腐蝕性較強的環境，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。目前增強材料抗腐蝕性能的方法有很多，主要有電化學保護法[4]、材料表面鍍層[5]等，但這些方法成本過高且不易實現。因此，需要一種加工精度高且柔性好的表面改性技術來提高鐵素體不銹鋼的抗腐蝕能力。

激光沖擊強化(laser shock peening,LSP)是近幾十年來才出現的一種新的表面處理技術，其使用高功率密度和短脈沖寬度的強激光輻照材料表面，利用激光施加的沖擊波的動態力效應來改變材料表面性能。激光沖擊強化會使得材料的表面發生晶粒細化[6]，并在材料表層形成一定深度的殘余壓應力區域[7]，對于金屬材料的磨損、腐蝕和疲勞等失效的優化有著顯著的效果[8-9]。目前對于激光沖擊強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，發現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，發現激光沖擊增強了材料的抗腐蝕性能，并且強化效果隨激光能量增加而增加。但是關于激光沖擊強化鐵素體不銹鋼抗腐蝕性能的研究目前還鮮有相關報道。

AISI430鐵素體不銹鋼是目前產量和使用量最多的鐵素體不銹鋼。激光沖擊強化可以為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力及抗腐蝕能力的變化。

1 實 驗

1.1 實驗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，其常溫下的化學成分如表1所示。本次實驗的試樣尺寸為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。

激光沖擊實驗采用江蘇大學機械工程學院的Nd∶YAG激光沖擊設備。本次激光沖擊實驗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 殘余應力檢測

殘余應力的測量設備為LXRD型Х射線應力測定儀。測試方法采用側傾固定Ψ法；2θ掃描起始角和終止角分別為162°和150°，掃描步距0.1°；定峰方法為交相關法；計數時間為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個點進行測量，再求3點的平均值作為該層的殘余應力值。

1.3 電化學實驗

電化學實驗中所使用的設備為CHI760E型電化學工作站。實驗中使用的腐蝕溶液是質量分數為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置為300s；阻抗譜的測試時電位設置為開路電位值，頻率選取為0.1Hz～100000Hz，交流電壓選取為10mV；極化曲線測量時，初始電位設置為-0.6V，終止電位設置為0.2V，掃描速率為0.005V/s。

2 結果與討論

2.1 殘余應力分析

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力分布圖。原始試樣的表面表現為殘余拉應力，而經過激光沖擊后的AISI430不銹鋼試樣的表面都是殘余壓應力。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力的幅值也得到提升。激光能量為3J時，試樣的殘余應力層深度達到400μm。激光能量提升到5J和7J時，殘余應力層的深度分別提升到800μm和900μm左右。當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，沖擊波向試樣內部傳播，當沖擊波壓力大于靶材雨貢紐彈性極限時，激光沖擊的區域發生塑性變形，產生殘余壓應力[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鐵素體不銹鋼在質量分數為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，在腐蝕熱力學上的穩定性提高。

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 電化學阻抗譜

在質量分數為0.035的NaCl溶液中測出的AISI430鐵素體不銹鋼試樣的電化學阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)圖及其等效電路如圖4所示。橫坐標Z′為阻抗實部，縱坐標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據，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，在膜內的擴散能力減弱，鈍化膜的穩定性提高。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溶液中發生點蝕的傾向較小，但其本身存在的條帶狀組織具有電化學不均勻性，所以會發生腐蝕微電池反應，并且AISI430不銹鋼處于未結晶狀態，擁有較高能量，最終表現為條帶狀的腐蝕痕跡[17]。經過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小于原始試樣，試樣表面的條帶狀腐蝕痕跡也明顯減少。當激光能量提升到5J和7J時，試樣表面的腐蝕痕跡進一步減少。由此說明激光沖擊強化可以增強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，并保護基體不被腐蝕，也可以防止基體進一步的發生氧化；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，逐漸產生裂紋、氣孔等缺陷，最終喪失保護能力，基體再次發生腐蝕。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。激光沖擊強化可以在試樣的表面引入一層殘余壓應力，在腐蝕過程中，殘余壓應力的存在可以有效減少氧化膜的破裂，降低氧化膜的內部缺陷，使得腐蝕表面生成的氧化膜更加穩定、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力的幅值變大，從而使表面的氧化膜更加穩定，增強了抗腐蝕性能。

3 結 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鐵素體不銹鋼進行表面強化，使用X射線應力測試儀及電化學工作站對其進行了實驗檢測。

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

(2)激光沖擊強化可以使AISI430鐵素體不銹鋼在質量分數為0.035的NaCl溶液中的自腐蝕電位發生正移，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)激光沖擊強化后，AISI430鐵素體不銹鋼抗腐蝕性能提升可能是因為激光沖擊可以在AISI430不銹鋼試樣表層引入一層殘余壓應力，殘余壓應力可以使試樣表面在腐蝕過程中生成的氧化膜更加致密，從而保護基體。