Corrors. Sci.：表層結構梯度化對7150鋁合金局部腐蝕是一把雙刃劍

【引言】
金屬材料晶粒尺寸納米化可分為兩大類：塊體納米化和表層納米化。塊體納米化后，構件整體強度顯著增大，同時也伴隨著韌性的劇烈下降。這一世界性難題目前還暫時無解。表層納米化雖然對構件整體強度的改善有限，但對表面相關性質如腐蝕、疲勞和斷裂韌性等作用巨大。目前來看，表層納米化是更有應用前景的一類技術。

【成果簡介】
近日，普渡大學Qingyou Han教授（通訊作者）在Corrors. Sci上發表了題為“Localized corrosion behaviour of AA7150 after ultrasonic shot peening: corrosion depth vs. impact energy”的文章。該文研究了超聲噴丸表面劇烈塑性變形后AA7150鋁合金的局部腐蝕動力學特征。超聲噴丸處理后，鋁合金表層晶粒尺寸納米化、梯度化，時效析出的納米強化相重新回溶表層鋁基體，組織均一化效果顯著。表層化學成分也出現變化，獲取了一種表層結構梯度化的7150鋁合金。

通過調控噴丸時間、超聲振幅、噴丸距離和噴丸粒徑，獲取了不同沖擊能量的AA7150樣品。在標準晶間腐蝕溶液中浸泡24h后，高能量噴丸處理樣（塑性變形厚度 > 20 μm）的局部腐蝕完全被抑制。但低能量噴丸處理樣（塑性變形厚度 < 20 μm）的點蝕坑呈“針狀”，腐蝕深度反而比空白樣更大。浸泡72h后，高能量噴丸處理樣也出現穿透力更強的“針狀”點蝕坑。這是由于表層結構梯度化是一把雙刃劍，它能夠顯著抑制合金局部腐蝕的誘發但又會加速局部腐蝕的擴展過程。本文構建了表層組織、成分與局部腐蝕之間的關系。

Graphic Abstract

【圖文導讀】

圖一 ?7150板材的金相

圖二 ?超聲噴丸裝置示意圖

表一 ?四組超聲噴丸處理參數

圖三 ?超聲振幅對7150鋁合金表層變形厚度和局部腐蝕深度的影響（噴丸時間、噴丸距離和噴丸粒徑的影響詳見原文）

(a) 超聲振幅越大，能量越高，噴丸作用深度越大
(b) 噴丸處理區域與空白區域的腐蝕深度對比
(c) 局部腐蝕形貌與深度
(d) 局部腐蝕深度的統計結果

圖四 ?樣品的OCP

(a) 噴丸時間的影響
(b) 超聲振幅的影響
(c) 噴丸距離的影響
(d) 噴丸粒徑的影響

圖五 ?元素表面偏析及其對OCP影響

(a) 高能量處理樣品的元素表層偏析
(b) 低能量處理樣品的OCP-組成關系
(c) 高能量處理樣品的OCP-組成關系

圖六 ?樣品的XRD表征

(a) 空白樣、低能樣、高能樣以及Al的理論計算XRD
(b) 時效析出相的回溶
(c) (d) 晶粒尺寸和微觀應變求解
(e) (f) XRD衍射峰的偏移

圖七 ?樣品的SEM和 TEM

(a) 空白樣SEM
(b) 高能量噴丸處理樣截面SEM?
(c) 高能量噴丸處理樣截面TEM (距表面~10 μm)
(d) 高能量噴丸處理樣截面TEM (距表面~5 μm)

圖八 ?樣品的極化曲線和點蝕電位

(a) 樣品的極化曲線
(b) 點蝕電位與噴丸時間的關系
注：該組屬于低能量噴丸處理樣品

圖九 ?三次浸泡后的腐蝕截面與深度

(a) 空白樣
(b) 高能量沖擊樣品
(c) 腐蝕深度統計

圖10 ? 局部腐蝕動力學的比較

【小結】

1、超聲噴丸處理能量越大，OCP越負，歸因于Zn的表層偏析隨著能量增大而變得顯著。高能量處理的合金表層是犧牲陽極層，保護了次表層或合金基體。

2、噴丸處理后，AA7150的點蝕電位更正，合金鈍化區間增大，極大地提升了合金耐局部腐蝕誘發的能力。這歸因于表層組織的均一化、晶粒扭曲細化以及殘余壓應力的引入。

3、合金的局部腐蝕一旦誘發，梯度化結構導致形成開口較小的點蝕坑，點蝕坑內外的物質交換受阻，蝕坑再鈍化和消亡能力嚴重下降，因而形成了穿透能力更強的“針狀”點蝕坑。

4、從局部腐蝕的角度看，表層結構梯度化可能是一把雙刃劍，要根據材料的服役環境選擇合適的工藝參數，盡量揚長避短。

文獻鏈接： Localized corrosion behaviour of AA7150 after ultrasonic shot peening: corrosion depth vs. impact energy(Corrors.Sci,2017,November 10,DOI:10.1016/j.corsci.2017.11.008 )

本文由材料人編輯部liunian編輯整理。

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