激光冲击强化技术对金属材料抗应力腐蚀的影响及应用

2019-11-27栗子林

科技与创新 2019年21期

关键词：金属材料等离子体不锈钢

程格，栗子林

（1.阳江职业技术学院，广东阳江 529500；2.阳江市五金刀剪产业技术研究院，广东阳江 529533）

1 引言

应力腐蚀开裂（SCC）是引起金属材料失效的主要原因之一[1]，它是金属结构材料服役过程中在应力和腐蚀介质的协同作用下，表面局部位置产生微裂纹并发展，直至发生断裂。应力腐蚀开裂现象如图1所示。

图1 应力腐蚀开裂现象

SCC 破坏性很大，断裂前往往没有明显变形，很难对其加以预测，常常造成灾难性事故。经过大量的研究表明，SCC微裂纹往往起源于工件表面[2]。

因此，改善金属材料的表面质量，强化其表面性能，增强工件的性能和寿命成为国内外学者研究的重点。

激光表面强化技术具有自动化程度高、实用性强、与工件表面无接触、工件热变形小等加工优势，因此，被广泛用于工业制造领域，并得到了广泛的应用，产生了巨大的经济效益和社会效益。其中，激光冲击强化技术被普遍用来提高金属材料表面抗应力腐蚀的能力。激光冲击强化技术是利用短脉冲高能密度激光束照射到金属材料表面上，迫使材料表面产生大量的等离子体，等离子体膨胀对金属表面产生强烈的冲击，使金属材料表面达到强化[3]。激光冲击强化技术具有强化层深度深、无热影响区等特点，且不会破坏金属材料表面完整性。

2 激光冲击强化提高材料抗应力腐蚀的机理

激光冲击强化技术是利用功率密度为109 W/cm2量级的激光发生器在纳秒级脉冲范围内发射1～100 J 的激光束，激光束穿过材料表面的约束层照射到材料的能量吸收层上。吸收层材料在吸收大量的激光能量后，瞬间发生气化形成高温和高压的等离子体，等离子体继续吸收激光能量并迅速向外喷射。

由于约束层的存在，等离子体的膨胀受到约束限制，导致等离子体压力进一步升高，直到等离子体爆炸产生高强度的冲击波冲击金属材料的表面并向内传播，从而使材料表面发生塑性变形并产生残留压应力[4]。

在激光冲击强化过程中，等离子体冲击波压力值可以达到数千兆帕[5]，而金属原材料的动态屈服强度极小于此冲击波压力极值，使得金属原材料有序的晶体结构被破坏，产生大量的位错及位错运动，并形成亚晶界以及致密的等轴晶，甚至纳米晶。由于激光冲击强化材料表面形成的残余压应力以及组织的变化，在一定程度上遏制裂纹的萌生和扩展，从而达到提高金属材料抗应力腐蚀的目的。

激光冲击强化如图2所示。

图2 激光冲击强化示意图

3 激光冲击强化技术在材料中抗应力腐蚀的研究

国内外专家学者针对不同材料分别研究了激光冲击强化技术在抗应力腐蚀方面的作用。

TRDAN[6]等研究了激光冲击强化对铝合金在氯化物环境下的腐蚀特性的影响。结果表明，相比未冲击试样，经过激光冲击强化后的试样钝化膜厚度较薄，且分布不均匀，这是由于冲击后所产生的残余压应力抑制腐蚀造成的，即经过激光冲击强化后铝合金的抗腐蚀性能显著增强。

江苏大学的葛茂忠等人[7]采用优化后的激光冲击强化工艺参数对轧制态的AZ31B 镁合金薄板试样进行冲击强化试验。研究结果表明，镁合金晶粒得到明显细化，晶粒大小20 μm 左右细化到10 μm 左右，试样表面激光诱导的残余压应力高达-126 MPa。激光冲击诱导的晶粒细化及残余压应力的存在能抑制镁合金材料的应力腐蚀裂纹的产生和扩展。

江苏大学的LU 等人[8]研究了激光冲击对ANSI304 奥氏体不锈钢应力腐蚀性能的影响，结果表明激光冲击强化显著提高了该不锈钢的表面残余压应力，并且细化了晶粒，导致其应力腐蚀裂纹明显减少甚至不发生应力腐蚀开裂，从而提高了ANSI304 奥氏体不锈钢抗应力腐蚀能力。

空军工程大学的何卫锋等人[9]研究了激光冲击强化对316 L 奥氏体不锈钢焊接接头应力腐蚀性能的影响及其作用机理。结果表明激光冲击波使得焊接接头部位产生了高数值的残余压应力，消除了残余拉应力，降低局部应力梯度，同时使焊接接头微观组织均匀和细化，提高了微裂纹萌生的条件，两种因素的共同作用，使得不锈钢焊接接头的抗应力腐蚀性能显著增强。

常州大学的孔德军等人[10]研究了激光冲击处理对X70管线钢焊接接头抗H2S 应力腐蚀开裂行为的影响。结果表明经激光冲击处理后X70 管线钢焊接接头断口形式由脆性断裂转为韧性断裂，韧窝尺寸与深度变小，激光冲击处理降低了氢致开裂和SCC 的倾向，提高了焊接接头抗H2S 应力腐蚀的能力。

南京工业大学的彭薇薇等人[11]研究了激光冲击强化对304 不锈钢焊接接头的应力腐蚀性能的影响。研究表明激光冲击强化后，不锈钢焊接接头表层形成了厚度超过1 mm 的残余压应力层，该残余压应力的产生明显的提高了304 不锈钢焊接接头在120 ℃的MgCl2溶液抗应力腐蚀开裂的能力。

4 激光冲击强化技术抗应力腐蚀的典型工业化应用

国际上对激光冲击强化进行了相当长时间的研究，但目前大多数还只是实验性研究，将该技术用于工业生产的只有日本的Toshiba 公司、美国的MIC、GEAE 和LSPT 等极为少数的公司。

日本的Toshiba 公司利用激光冲击强化技术处理核电站汽轮机叶片易断裂部位，并采用水下激光冲击强化系统、便携激光冲击系统对核电站易应力腐蚀关键部位进行在线冲击强化处理，通过改变核反应器的残余应力状态，大大降低了其应力腐蚀开裂的发生，提高了核反应器的安全性与可靠性，使其具有更长的服役时间和更低的运行成本。

美国海军采用自主研发的便携式激光冲击强化系统处理舰船设备上的33 mmNi 基厚板焊缝及易应力腐蚀部位，通过诱导高幅厚深度的残余压应力层，大大提高了舰船的抗应力腐蚀能力。

美国MIC 公司使用一种移动式激光冲击强化系统对核反应堆上的焊缝进行处理，消除了焊缝的残余拉应力从而阻止了应力腐蚀裂纹。该技术对在役的和新建的核反应堆都有明显效果，其主要因素在于激光冲击波诱导的晶粒细化和残余压应力。

国内研究者对激光冲击强化的工业应用进行了大量研究。2011年，中科院沈阳自动化团队向沈阳黎明发动机有限公司交付首台整体叶盘激光冲击强化设备，填补了中国无工业应用激光冲击强化设备的空白。但是，由于国内激光冲击强化技术的研究比较晚，受设备、关键技术及成本的限制，尚未能有效进行工业化推广。