激光沖擊修復后壓力容器鋼Q345R 耐腐蝕及抗疲勞性能研究*

張 浩，蔣 磊，岑志波，張拔楊，謝作然，朱 玨

（1. 寧波大學機械工程與力學學院，浙江 寧波 315211；2. 寧波市特種設備檢驗研究院，浙江 寧波 315211；3. 寧波計量測試研究院，浙江 寧波 315211）

生物質能一直是人類賴以生存的重要能源之一，也是唯一的可再生碳資源，是國際上化石能源的主流替代品[1]。目前生物質炭化的主要技術包括熱解炭化技術[2-3]、微波炭化技術[3-4]、水熱炭化技術[5-6]等。炭化設備需要長時間承受高溫高壓以及各種介質的侵蝕，因此壓力容器往往會受到多重的失效形式，腐蝕和疲勞是材料失效最主要的原因，而且這兩種主要的失效形式都始于材料表面。壓力容器需要在密封環境下工作，如果出現裂紋造成泄露會引起安全事故，嚴重時甚至引起爆炸威脅生命安全。

目前壓力容器防腐措施主要有使用緩蝕劑、電化學防護、表面涂層處理、提高焊縫質量和強化襯里防護，這些方法各有優缺點，因此研究新型綠色環保的防腐技術具有重要意義[7]。激光沖擊強化(laser shock peening, LSP)是一種新的材料表面強化技術，能在材料表面產生塑性變形，有效改善材料的微觀組織[8]，提高其力學性能[9]，減少或延遲裂紋的形成和擴展，提高金屬材料的疲勞壽命[10]、耐磨性和耐腐蝕性[11]。不同于傳統噴丸強化技術，激光沖擊強化不會造成畸變和機械損傷，不改變表面粗糙度，無污染且適用性廣[12]。目前還未見到中國對Q345R 鋼的激光沖擊強化研究，對激光沖擊強化后性能的研究主要集中在鎂鋁合金以及不銹鋼上。李興成等[13]研究了AZ31 鎂合金在激光沖擊后的抗腐蝕性能，研究表明激光沖擊后殘余壓應力可明顯提高AZ31 鎂合金的抗應力腐蝕敏感性，但抗腐蝕性能并未提高；汪軍等[14]對304 鋼進行激光沖擊強化發現，激光沖擊處理能使裂紋源移至試樣內部，降低裂紋擴展速率，提升疲勞壽命。本文以壓力容器鋼Q345R 為研究對象，通過電化學實驗，研究不同參數激光沖擊強化對Q345R 耐腐蝕性能以及疲勞壽命的影響。

1 激光沖擊強化實驗

1.1 激光沖擊原理

激光沖擊強化原理如圖1 所示[15]。通過聚焦透鏡，將高功率密度、短脈沖的激光束匯聚成毫米尺度的光斑輻射到材料表面；表面吸收層氣化并電離生成高溫高壓等離子體，在約束層的作用下向材料內部產生一個高壓高應力沖擊波，其峰值壓力遠大于材料的動態屈服強度；材料表面產生塑性變形，表層晶粒細化并形成一定深度的殘余壓應力層[16]。

本實驗采用YS100-R200A 激光器，波長為1 024 nm，脈沖寬度為20 ns，頻率為10 Hz，光斑直徑為3 mm。以水為約束層，以黑膠為吸收層，搭接率為50%[17]，搭接方式見圖2。

試樣材料為Q345R 鋼，常溫下屈服強度和抗拉強度分別為438 和548 MPa。將鋼材切割成厚度為6 mm，表面10 mm×10 mm 的方樣，將表面打磨至粗糙度Ra＝0.8 μm。根據激光沖擊強化次數和有無吸收層進行分組，試樣表面通過涂覆黑膠帶作為吸收層，并且每次激光沖擊后重新更換黑膠帶。表面經過激光沖擊強化后的試樣見圖3。激光沖擊后表面留下多個排列規則的凹坑，無黑膠帶保護的試樣在多次沖擊后表面有明顯損傷，黑膠帶能起到緩沖作用保護試樣表面。

2 電化學實驗

2.1 電化學實驗概述

本節對不同次數激光沖擊后Q345R 的耐腐蝕性能進行測試與分析。圖4 給出了電化學實驗原理，主要由工作電極、輔助電極和飽和甘汞電極3 個部分組成。圖中，工作電極是需要測試的Q345R 樣品，電解液為250 ml 的NaCl 溶液（NaCl 質量分數為3.5%）。通過電化學工作站，對試樣進行電化學腐蝕測試。在電化學測試中，溶液溫度保持在室溫，每次實驗結束都更換電解液來保證實驗的準確性。每組用不同次數的激光沖擊（0 次，1 次，3 次，5 次，7 次），強化處理的樣品用銅線連接，并依次用703 和704 膠進行封裝并留出尺寸為8 mm×8 mm 的工作面。采用Tafel 外推法[18]，從獲得的極化曲線來研究經激光沖擊后試樣的耐腐蝕性能。

2.2 沖擊后動電位極化曲線分析

電位極化曲線是針對低阻抗試樣獲得相對應的電化學信號。開路電位以0.5 mV/s 的速度從-1.4 V到0.4 V 進行掃描獲得試樣電流隨著電壓的變化曲線。沒有吸收層和有吸收層保護的Q345R 鋼的極化曲線分別如圖5 和圖6 所示，縱坐標電流密度是單位面積上通過的電流大小，圖中電流密度最低點對應的是腐蝕電位，曲線左半段是Tafel 陰極部分，掃描電壓小于腐蝕電位時，外加電壓對試樣起保護作用；掃描電壓大于腐蝕電位時，試樣失去電子，金屬腐蝕溶解。電流密度是反應速率的體現，電流密度越大反應越快，金屬腐蝕越快。

從圖5 可以看出，在沒有黑膠帶保護的情況下，1 次激光沖擊后曲線向右移動，腐蝕電位在-0.9 V 左右，相比多次沖擊和未處理試樣腐蝕電位-1.1 V 高了0.2 V 左右，而腐蝕電位反映了材料腐蝕的難易程度，電位越高越難發生腐蝕。采用Tafel 外推法對動電位極化曲線（potentiodynamic polarization curve,PD）的線性段數據進行擬合，可得[19]：

式中：η 為過電位，i為電流密度，a和b為常數。

金屬腐蝕速率可用腐蝕失重速率V（g/(m2·h)）或腐蝕深度速率d（mm/a）表征。結合式(1)和法拉第定律，可以計算出金屬的腐蝕失重速率V[19]：

式中：i0為腐蝕電流密度（A/cm2）;M為金屬的摩爾質量（g/mol）；n為金屬的原子價；F為法拉第常數，代表每摩爾電子攜帶的電荷；ρ 為金屬的密度（g/cm3）。

而在工程上，金屬腐蝕情況采用反映構件變薄特征的腐蝕深度速率d來描述相比于采用腐蝕失重速率V更加合適[20]：

式中：ρ 為金屬的密度（g/cm3）。對于本文采用的碳鋼材料：M=56 g/mol，n=2，ρ=7.8 g/cm3。

使用電化學工作，將動電位極化曲線輸入到軟件中進行自動分析，計算出腐蝕速率d，不同沖擊次數下的腐蝕速率，見表1。

表1 不同激光沖擊次數下有或無吸收層保護的Q345R 腐蝕速率Table 1 Corrosion rate of Q345R with or without absorption layer protection at different LSP times

2.3 實驗結果分析

有吸收層和無吸收層的試樣都在經過一次激光沖擊后耐腐蝕性能最好，相比于未處理試樣耐腐蝕性能分別提升5.81 和2.56 倍。有吸收層保護的試樣在多次沖擊后腐蝕速率略微上升，最后穩定在0.32 mm/a 左右，見圖7。無吸收層的試樣隨著沖擊次數增加腐蝕速率不斷上升，并不斷向未處理試樣腐蝕速率接近。

圖8 是激光沖擊后的試樣微觀形貌，表面在激光沖擊下形成殘余壓應力，且在厚度約為350 μm的晶粒細化區域內形成了大量位錯和孿晶，使得耐腐蝕性提升。圖8(a)和圖8(b)是7 次沖擊后試樣表層和深層微觀形貌圖，表層晶粒細化明顯，深層微觀形貌變化不大。多次沖擊后表面完整性下降、殘余應力分布不均勻，表面凹凸不平。隨著沖擊次數增加，表面粗糙度增加：未處理試樣粗糙度Ra=0.87 μm；有黑膠保護經1、3、5、7 次沖擊后粗糙度Ra=1.18, 1.66, 2.19, 2.34 μm；無黑膠保護經1、3、5、7 次沖擊后粗糙度Ra=1.37, 2.03, 2.78, 3.11 μm。粗糙度隨著沖擊次數逐漸增加且沒有黑膠層作為保護時粗糙度增加更明顯。無吸收層的試樣經激光多次沖擊后，材料表面會出現損傷[21],導致耐腐蝕性進一步下降。圖8(c)是7 次沖擊后試樣橫截面微觀圖，多次沖擊后表面完整性下降、殘余壓應力分布不均勻、粗糙度增加，表面凹凸不平更容易聚集氯離子加快腐蝕速率。

3 預腐蝕試樣疲勞實驗

3.1 試樣制備

疲勞實驗采用和上述實驗相同的Q345R 材料，試樣根據國家標準[22]進行設計，如圖9 所示。

電源正極通過導線連接腐蝕試樣，負極連接不銹鋼作為惰性電極，連接時用有機硅膠進行密封。將腐蝕試件和惰性電極共同置于質量分數為10% 的醋酸溶液中，再補入質量分數為3.5%的氯化鈉形成電解池來腐蝕。用絕緣黑膠對腐蝕試樣的兩端進行密封，中間待腐蝕區域裸露于電解液溶液中。腐蝕試驗過程符合國家標準[23]，腐蝕后疲勞試樣如圖10 所示。

3.2 疲勞實驗結果

以原試件、腐蝕1 h、腐蝕2 h、激光沖擊1 次、激光沖擊3 次做五組對比試驗，每組采集6 個有效點的應力狀態繪制應力-疲勞壽命曲線[24]。應力比為-1,采用正弦波加載，實驗結果見下圖11。

在同一水平拉伸應力下，試樣疲勞壽命隨腐蝕時間提升而下降，腐蝕1 h 的試樣在289.5 MPa 的應力下壽命約為18 萬次；腐蝕2 h 的試樣在288.5 MPa 的應力下壽命約為13 萬次；與未腐蝕試樣在287.5 MPa 應力下28.5 萬次的壽命相比較，疲勞壽命分別減少了36.8%和54.4%。疲勞失效總是由最高的應力和應變、位向最薄弱晶粒或夾雜等缺陷處起始，并沿著一定的結晶面擴展；而經過腐蝕后使得原本存在的缺陷更加突出，應力集中現象更加嚴重，裂紋更容易發生擴展造成疲勞失效。

采用XRD 沿試樣表面深度方向測得殘余應力。未處理試樣表面殘余拉應力34.4 MPa，這是由于機械加工和打磨時留下的應力，一般厚度在30 μm 左右，在振動過程中會快速釋放。1 次沖擊后表面殘余壓應力為205.6 MPa，3 次沖擊后表面殘余壓應力為288.5 MPa。1 次沖擊后殘余壓應力提升明顯，3 次沖擊相比1 次沖擊殘余壓應力增加幅度較小，通過噴丸、激光沖擊等外部手段加強金屬表面殘余壓應力所能達到的強度為材料屈服強度的70%左右[25]。3 次沖擊后造成組織細化層在280 μm 左右，而1 次沖擊細化層在200 μm 左右。材料在疲勞載荷實驗時需要抵抗外部拉應力引起的表面微小裂紋的擴展，殘余壓應力可以抵抗外部載荷引起的拉應力阻滯裂紋擴展，3 次沖擊殘余壓應力比1 次沖擊提升約82.9MPa，殘余壓應力作用深度增加80 μm。采用XRD 沿試樣表面深度方向測得殘余應力。未處理試樣表面殘余拉應力34.4 MPa，這是由于機械加工和打磨時留下的應力，一般厚度在30 μm左右，在振動過程中會快速釋放。1 次沖擊后表面殘余壓應力205.6 MPa，3 次沖擊后表面殘余壓應力288.5 MPa。1 次沖擊后殘余壓應力提升明顯，3 次沖擊相比1 次沖擊殘余壓應力增加幅度較小，通過噴丸、激光沖擊等外部手段加強金屬表面殘余壓應力所能達到的強度為材料屈服強度的70%左右[25]。3 次沖擊后造成組織細化層在280 μm 左右，而1 次沖擊細化層在200 μm 左右。材料在疲勞載荷實驗時需要抵抗外部拉應力引起的表面微小裂紋的擴展，殘余壓應力可以抵抗外部載荷引起的拉應力阻滯裂紋擴展，3 次沖擊殘余壓應力比1 次沖擊提升約82.9MPa，殘余壓應力作用深度增加80 μm。

4 結 論

本文主要對多次激光沖擊修復后的壓力容器Q345R 材料進行抗電化學腐蝕和抗疲勞性能的研究。改變激光沖擊的工藝參數與沖擊次數，通過對激光沖擊強化后的試樣進行電化學腐蝕實驗，分析了激光沖擊強化對試樣耐腐蝕性能的影響，并進行疲勞實驗比較激光沖擊和腐蝕對材料疲勞強度的影響。

(1) 激光沖擊后能明顯提升Q345R 表面耐腐蝕性能，在沖擊1 次時電流密度明顯減小，耐腐蝕性提升；但表面完整性隨著沖擊次數增加而下降，導致多次沖擊的耐腐蝕性下降。

(2) 激光沖擊在有黑膠作為吸收層時防腐蝕效果較無吸收層好，無吸收層多次沖擊后粗糙度增加更顯著，缺少黑膠作為緩沖的試樣表面凹凸更加明顯，更容易造成局部腐蝕。

(3) 試樣在激光沖擊后表層晶粒細化，殘余壓應力在多次沖擊后接近材料屈服強度，表面存在的壓應力可以有效減緩機械拉應力造成的裂紋擴展，提升材料的疲勞壽命。