激光沖擊強化對黃銅耐蝕性能的影響

2020-04-10 11:28:38陳好學楊海峰滿家祥

激光技術 2020年2期

陳好學，楊海峰，滿家祥，劉坤，熊飛

(中國礦業大學機電工程學院，徐州 221116)

引言

目前，銅合金在現代制造業中占有重要地位，在閥門[1-2]、管道設備[3-4]、閥芯[5]等過流部件中有著廣泛的應用。眾所周知，過流部件中經常出現腐蝕失效的現象，為了滿足應用的需要，銅合金材料的過流部件應具有良好的穩定性和耐腐蝕性。目前，提高材料耐蝕性能的手段有很多，如加入鋁、鉛、鎳等金屬元素改變合金的組織[6-7]，對材料表面進行電鍍層[8]和涂層[9]等，但是這些方法都相應提高了加工工藝難度和成本,因此，簡單經濟的激光沖擊強化(laser shock peening,LSP)技術在強化銅合金材料表面得到應用。

LSP是一種先進的表面強化技術，通過納秒激光產生的超高壓應力來提高金屬材料表面的力學性能，從而改善金屬材料的疲勞性能[10]、耐磨性[11]和耐腐蝕性[12]等。SUN等人研究發現,LSP可以改善ANSI 304不銹鋼焊接件在空蝕后的損傷，并且LSP誘導的殘余壓應力是改善空蝕損傷的有效保證[13]。ZHANG等人研究證明了LSP可以使鋼質材料表面區域細化到納米尺度的晶粒，從而增加了材料的硬度[14]。并且，LSP在表面粗糙度相對較低的鋼表面層中產生了較高的壓縮殘余應力，從而抗疲勞性能得到改善[15]。同時，許多研究表明：材料硬度的變化是反映強化能力的重要指標，硬度的增加伴隨著耐蝕性能的提高[16-17]。因此，LSP是一種通過提高材料表面硬度、細化晶粒、誘導殘余應力[18]來提高材料的耐腐蝕能力[19]的有效技術。

本文中通過納秒脈沖激光對銅合金的基礎材料h62黃銅板進行激光沖擊強化，采用超聲波空蝕試驗機和電化學工作站對h62黃銅進行空蝕實驗和電化學腐蝕實驗，研究質量損失、顯微組織、表面形貌、硬度和金相組織等來表征LSP對黃銅材料耐蝕性能的影響。

1 實驗

1.1 樣品及LSP實驗

樣品材料為厚度1.5mm的h62黃銅板，樣品的化學成分(質量分數)為：w(Cu)≤0.62，w(Fe)≤0.0015，w(Pb)≤0.0008，w(Sb)≤0.00005，w(Bi)≤0.00002，其余為Zn。樣品工作面面積為30mm×30mm，用不同目數(200#～1500#)的水砂紙打磨，放入無水乙醇用超聲波清洗，后用吹風機冷風風干并備用。

用高能密度納秒脈沖激光(波長1064nm，脈寬7ns)沖擊強化黃銅表面。本文中主要研究的是不同的能量LSP對黃銅耐蝕性能的影響，通過大量實驗確定LSP的工藝參量如下:重復頻率為6Hz，激光光斑直徑為1.5mm，搭接率為50%[20]，加工路徑如圖1所示。實驗中使用了一系列激光脈沖能量(0.2J，0.4J，0.6J)，為了防止灼傷樣品表面和提高激光能量的吸收,用厚度40μm的黑鋁箔作為吸收層。一定剛性的約束層比彈性約束層能更有效地提高激光沖擊波的峰值壓力[21]，K9玻璃具有相當高的強度和剛度，強化沖擊效果要好于水約束層，所以采用厚度為4mm的K9玻璃作為約束層，來增強等離子體的向下沖擊壓力[22]。最后，用超聲波清洗的方法對含LSP的黃銅試樣進行清洗，并用吹風機對試樣進行冷風干燥并備用。

Fig.1 Schematic illustration of LSP

1.2 空蝕和電化學腐蝕實驗

采用超聲波空蝕試驗機對有無LSP處理的黃銅樣品進行空蝕實驗。在室溫下，振幅桿頂端對準樣品的中心并浸泡在蒸餾水中產生氣泡及微射流射向黃銅樣品的工作面。黃銅樣品表面與振幅桿尖端的距離為2mm。以25℃的去離子水為介質進行持續至少4h的空蝕實驗。傳感器的頻率和峰值分別為20kHz和25μm。空蝕過程如圖2a所示。

Fig.2 a—schematic diagram of cavitation erosion experiment b—schematic diagram of electrochemical testing

通過電化學工作站，研究在質量分數為0.035的NaCl溶液中，對有無LSP處理的黃銅樣品進行電化學腐蝕測試，如圖2b所示。在電化學測試中，溶液溫度保持在室溫，參考電極為飽和甘汞電極(saturated calomel electrode,SCE)，對應電極為鉑箔(Pt)。一組用不同能量(0J,0.2J,0.4J,0.6J)LSP處理的樣品用銅線連接，并分別用703膠和704膠進行封裝并留出尺寸為10mm×10mm的工作面。采用Tafel外推法，從極化曲線來研究黃銅樣品對抗電化學腐蝕的能力。

2 結果與討論

2.1 空蝕質量損失結果與分析

圖3a是隨著時間的變化，黃銅樣品空蝕累積質量損失圖。從圖中可以看出，隨著時間的增加，每個參量的樣品累積質量逐漸增加。與未經LSP處理的黃銅樣品對比，經LSP處理的黃銅樣品累積質量損失減少。并且，隨著能量的增加，空蝕累積質量損失降低。此外，空蝕4h后，未經LSP處理的黃銅樣品累計質量損失為15.3mg,經0.6J LSP處理的黃銅樣品累積質量損失為4.1mg，0.6J LSP處理使黃銅累積質量損失縮小了大約4倍。

圖3b為未經LSP處理和0.6J LSP處理的黃銅樣品空蝕孕育期與最大空蝕速率柱狀圖。由圖可知，未經LSP處理的黃銅樣品的空蝕孕育期為1.5h，經0.6J LSP處理的黃銅樣品孕育期為3h,空蝕孕育期延長了2倍。另外，未經LSP處理的黃銅樣品最大空蝕速率比0.6J LSP處理的大。因此，經LSP處理的黃銅樣品比未經LSP處理的黃銅樣品具有更好的抗空蝕性能，并且隨著能量的增加，黃銅樣品抗空蝕性能越好。

Fig.3 a—cumulative mass loss of brass sample after cavitation erosion b—cavitation incubation period and maximum cavitation rate of brass sample

2.2 表面和截面硬度測試及分析

圖4a為經不同能量LSP處理的黃銅樣品表面硬度分布圖。每組數據測試5個點，并取平均數。從圖中可以看出，空蝕后，未經LSP處理的黃銅樣品硬度最小，經0.6J的能量LSP處理后的硬度最大。具體地來說，未經LSP處理的黃銅樣品表面的平均硬度為125.4HV，經0.2J LSP處理的黃銅樣品表面的平均硬度為136.6HV，經0.4J LSP處理的黃銅樣品表面的平均硬度為147.5HV，經0.6J LSP處理的黃銅樣品表面的平均硬度為162.3HV。

圖4b為不同能量LSP處理后黃銅樣品的橫截面硬度分布曲線圖。每組數據測5個點，并取平均數。未經LSP處理的黃銅樣品硬度值從表面到內部均勻分布。經0.2J LSP處理的樣品硬度值從表面的139HV增加到0.1mm深度的143HV，在0.1mm～0.5mm深度上逐漸降低，0.5mm深度以下的和未強化的樣品硬度分布相同，大約為123HV。經0.4J LSP處理的樣品硬度值從表面的151HV增加到0.1mm深度的157HV，然后逐漸降低到0.5mm深度和未強化的黃銅樣品硬度分布相同。經0.6J LSP處理的樣品硬度值從表面的168HV增加到0.2mm深度的172HV，然后降低，到0.5mm后和未強化黃銅樣品硬度分布相同。從圖中可以知道，LSP處理黃銅樣品強化硬度升高的表層大約為0.5mm厚。所以，在LSP處理黃銅樣品產生的強化層內，隨著LSP處理能量的增大，橫截面硬度也增大。硬度的變化能反映材料的強化效果，硬度的增加可以說明其抗空蝕能力的提高[23]。由圖4可知，隨著激光強化能量的提高，黃銅表面硬度和一定深度方向上的截面硬度都相應增加，因此LSP處理黃銅樣品表面提高其抗空蝕性能。

Fig.4 a—surface hardness curve of brass b—cross-sectional hardness curve of brass

2.3 殘余應力測試和晶粒細化及分析

圖5是不同能量LSP處理后的黃銅樣品表面殘余應力圖。取黃銅經不同能量沖擊強化區域的3個點測量其殘余應力,并取其平均值。從圖中以看出，未經激光強化處理的黃銅殘余應力整體上是拉應力狀態。殘余拉應力經常會使材料失效，從而被當作疲勞失效的主要原因[19]。然而經LSP處理后黃銅樣品表面的殘余應力從拉應力變為壓應力，最大殘余壓應力出現在0.6J LSP處理的黃銅樣品表面，為-119MPa。此外，從圖中可以看出,殘余壓應力隨著激光強化處理能量的增加而變大。圖6是有無LSP處理后的黃銅樣品表面的金相組織圖。從圖6中可以看出，LSP處理后的黃銅樣品表面的晶粒比較細小，強化細化的晶粒尺寸大小在25μm～40μm之間，未強化的區域晶粒尺寸大小在35μm～70μm之間，從而LSP處理對黃銅樣品表面晶粒有一定的細化作用。

Fig.5 Surface residual stress histogram of brass

Fig.6 Surface metallographic structure of brass

所以， LSP處理樣品表面添加一個大于其表面屈服應力的沖擊力，使黃銅表面發生塑性變形，促使晶粒細化，并誘導黃銅產生殘余壓應力[24]，即有效地將殘余拉應力變為殘余壓應力。晶粒細化和殘余壓應力能抑制材料產生裂紋，延緩微裂紋向材料內部延伸[25-26]，這也就能延長腐蝕過程中裂紋產生和擴張的時間，從而提高了材料的耐腐蝕性能。

2.4 形貌觀測與分析

圖7為空蝕1.5h后黃銅樣品經0.6J LSP處理和未經LSP處理的表面形貌SEM圖片。從圖7a中可以看出，未經LSP處理的黃銅樣品表面起伏比較明顯，裂紋較多且產生大量的空蝕坑。從圖7d中可以看出，經0.6J LSP處理的黃銅樣品表面在空蝕1.5h后較為平整，產生少量且較小的空蝕坑，裂紋還未形成，這些與LSP處理改善樣品力學性能有著密切的聯系。上面說到LSP處理細化了黃銅樣品表面的晶粒，并且LSP處理產生的沖擊力由于約束層的作用向下傳導，促使黃銅表面塑性變形，形成一層細化層，即強化層。

Fig.7 SEM photo of surface morphology of brass sample after cavitation erosion of 1.5h a—without LSP b,c—partial enlarged views of Fig.7a d—with 0.6J LSP e,f—partial enlarged views of Fig.7d

圖8是黃銅樣品表面空蝕原理圖。經LSP處理的樣品具有一層強化層，由于晶粒細化，不易使微裂紋向下擴張，從而強化的樣品表面的空蝕缺陷更小，與上面實驗所得吻合。并且在上述討論中，未經LSP處理的黃銅樣品比經0.6J LSP處理的黃銅樣品硬度低，由此可以得出黃銅樣品的空蝕破壞要先發生在較軟的表面組織部位。LSP處理誘導黃銅表面殘余壓應力的產生，促使晶粒細化，從而提高了黃銅樣品的塑性和韌性，可以有效地抵抗樣品材料表面裂紋的產生，延長了空蝕孕育期，減緩了樣品空蝕速率，從而提高了黃銅樣品的抗空蝕能力。

Fig.8 Cavitation schematic of brass sample

2.5 電化學塔菲爾極化曲線與分析

圖9為黃銅樣品經不同能量LSP處理后的極化曲線。縱坐標為對電流I取對數。黃銅的電化學極化曲線由陰極區和陽極區兩個部分組成，采用塔菲爾外推法，得到黃銅的腐蝕電流為1.74μA，腐蝕電位為-0.291V，0.2J、0.4J和0.6J,LSP處理后的黃銅樣品的腐蝕電位分別為-0.266V,-0.247V和-0.236V,腐蝕電流與未處理的樣品相比沒有規律性的變化，從而只對腐蝕電流進行分析。由于腐蝕電位是反映材料在熱力學方面的腐蝕難易程度，腐蝕電位越大，耐腐蝕性能越好，所以從熱力學角度來看，本組黃銅樣品的耐腐蝕性為：0.6J>0.4J>0.2J>0J。因此，LSP處理可以提高黃銅樣品的耐腐蝕性能，并且隨著LSP的能量增大，其耐腐蝕性能越好。