新一代激光冲击强化系统对5052铝合金电化学性能的实验研究

宁成义，黄亿辉，徐子法，张文武

（1.中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江宁波315201；2.中国科学技术大学纳米科学技术学院，江苏苏州215000）

铝合金因密度小、强度高而被广泛应用于航空、航海、汽车、电子等工业设备中[1-3]，尤其在飞机发动机叶片及其他航空零部件上，高温、氧化、腐蚀燃气等复杂的工作环境往往会使材料表面遭到破坏，形成腐蚀裂纹，大大降低了材料使用寿命。因此，寻找一种适当的方法提高材料的耐腐蚀性具有重要的工程意义[4]。

激光冲击强化（laser shock peening，LSP）是一种先进的表面改性技术，它利用高能量、短脉冲的激光束作用于材料表面，在材料的吸收层产生高温高压的等离子体，等离子体在约束层的约束下产生高压的冲击波反作用于材料表面，在材料表面诱导产生残余应力及表面晶粒细化，以此提高材料的硬度、耐腐蚀性能和抗疲劳性能[5-7]。现有的激光冲击强化技术大多采用侧面喷水、粘贴吸收层的工艺方式，而新一代激光冲击强化技术实现了包含移动吸收层和同轴送水的随动性激光冲击强化。同轴送水提高了水膜作为约束层的稳定性，解决了处理工件边缘时水膜不稳定的问题；移动式吸收层能有效节约传统贴膜的繁琐时间，大大提高了处理效率，因此，新一代激光冲击强化技术具有传统工艺不具备的新特点，有着重要的工程应用前景。

本文研究了新一代激光冲击强化系统对5052铝合金电化学性能的影响，对5052铝合金试样在3.5%的NaCl溶液中的电化学性能进行了机理分析，研究工作可为新一代激光冲击强化的工程应用提供实验依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验选用5052铝合金，其化学成分与力学性能分别见表1与表2。利用水刀将5052铝合金板材切割成30 mm×25 mm×3 mm的方形块体，再用砂纸（600#、800#、1000#、1500#、2000#） 依次打磨抛光，最后用无水乙醇清洗表面，并冷风吹干。

表1 5052铝合金的化学成分

表2 5052铝合金的力学性能

1.2 实验方案

实验选用新一代激光冲击强化系统，工艺参数如下：激光器能量为0.9 J，波长为1064 nm，脉宽为8 ns；采用同轴送水及移动吸收层的方式，聚焦后的光斑为高斯光，光斑搭接率为50%。为了研究不同的工艺参数对5052铝合金电化学性能的影响，分别对试样进行0、1、2次处理，具体实验参数见表3。

表3 激光冲击强化实验参数

2 结果与讨论

2.1 XRD

为了研究激光冲击处理前后5052铝合金试样物相的变化，对其进行了 XRD 测试（Cu κα，2θ的范围20～80°）。从图1可看出，经强化处理后，没有新的衍射峰出现，说明材料没有产生新的相变。但是，衍射峰的峰值较未处理试样略有下降，可能是由于冲击处理产生的残余应力及晶粒细化引起的。

图1 激光冲击强化前后5052铝合金的XRD图

2.2 硬度分析

硬度测试采用MVS-1000D1显微硬度计测量，其载荷为500g，加载时间为10 s，对每个点分别测量5次，结果取平均值。图2是激光冲击强化前后的试样硬度变化。可看出，未处理的试样硬度值为86 HV，冲击1次的试样硬度值为92 HV，冲击2次的试样硬度值为103 HV，分别提高了7.0%和19.8%。说明激光冲击处理能显著提高材料的硬度，如果适当地增加冲击次数，材料的表面硬度值会进一步增加。这归功于激光冲击在材料表面形成的晶粒细化，晶粒数量的增加还能有效阻止腐蚀裂纹的扩展，使材料表现出更好的耐腐蚀性。

图2 表面硬度

2.3 电化学性能

电化学实验采用三电极体系，辅助电极为铂片电极，参比电极为饱和的甘汞电极，电解液采用质量分数为3.5%的NaCl溶液，实验温度为25℃，测量试样的面积为1 cm2，扫描速率为1 mV/s。

图3是5052铝合金试样的动电位极化曲线，自腐蚀电位与腐蚀速率的计算结果见表4。未处理试样的自腐蚀电位为-1.22 V，处理1次、2次后的自腐蚀电位分别为-1.24、-1.17 V。可见，处理1次的自腐蚀电位基本不变，处理2次的自腐蚀电位明显增加。已有研究表明[8]，自腐蚀电位的正移，材料会表现出更好的点腐蚀性能。从表4可知，与未处理试样相比，腐蚀电流密度和腐蚀速率均在冲击处理1次、2次后有所降低，材料腐蚀速率的降幅分别为27.0%和35.0%。因此，激光冲击处理能有效减缓材料的腐蚀速率，提高材料的耐腐蚀性能。

表4 试样在NaCl溶液中的腐蚀结果

图3 试样的极化曲线

2.4 腐蚀形貌

为了更好地研究激光冲击强化对电化学性能的影响机理，实验分析了腐蚀后的试样表面形貌。可见，未处理试样有明显的腐蚀开裂及腐蚀堆聚现象（图4a），可推断在腐蚀阶段，未处理试样的腐蚀较剧烈，点腐蚀坑随着腐蚀脱落形成了腐蚀裂纹。与未处理试样相比，处理1次的试样表面仅有少量的腐蚀开裂，腐蚀孔的数量也很少（图4b）。处理2次的试样表面很少发生腐蚀开裂，仅分布少量的点腐蚀坑，且尺寸也相对较小（图4c）。因此可得出，经过冲击处理后，腐蚀裂纹能得到有效抑制，材料的耐腐蚀性得到提高。其原因是由于冲击强化在材料表面形成的残余应力及晶粒细化能有效阻止腐蚀应力的扩展，减缓材料的腐蚀速率。

图4 试样腐蚀后的SEM形貌

3 结论

（1）新一代激光冲击强化5052铝合金试样，经1次、2次处理后，材料表面没有发生相变，表面硬度由86 HV分别提高至92 HV和103 HV，增幅分别为7.0%和19.8%。

（2）新一代激光冲击强化能有效减缓材料的腐蚀速率，与未处理试样相比，经1次、2次处理后，材料的腐蚀速率分别下降了27.0%和35.0%。

（3）从腐蚀形貌来看，激光冲击强化能有效抑制腐蚀裂纹的扩展，提高材料的耐腐蚀性。

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