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激光冲击强化技术是一种新型的金属表面强化防护手段,与其他表面改性技术相比,可用于多种金属重要结构表面、焊缝等的表面强化或粉末冶金零件表面的致密化处理,在保持金属表面光洁度的同时,还能获得数值更高深度更大的残余压应力影响层,能更有效地延长金属疲劳寿命,并改善其耐磨擦、耐腐蚀性能。
采用输出波长为1064nm、脉冲宽度为15ns、光斑直径为3mm的调Q钕玻璃激光,对304奥氏体不锈钢板进行冲击试验,通过激光冲击形变处理,结合后续不同退火温度和不同保温时间,通过热场发射扫描电镜和透射电镜分析了激光冲击后样品表面的微结构演变,使用HVS-1000型数字显微硬度计观察力学性能变化以及化学腐蚀评价方法等,分析激光冲击后材料腐蚀行为,探索激光冲击对304奥氏体不锈钢腐蚀性能的影响。比较固溶处理后,晶粒优化先后加载激光各组试样的腐蚀特性。
结果表明:激光冲击304奥氏体不锈钢后,表面力学性能得到明显改善,表面显微硬度提升最高约38%,但硬度随纵向深度增加而衰减。激光冲击作用区域晶粒内发生较大的微结构演变,产生了大量微观结构,包括位错及位错网络、层错、形变孪晶以及形变织构现象等,表明激光冲击表面改性以晶内微结构演变为主,这些微结构的演变成为激光冲击强化的主要微观机制,也成为影响腐蚀形貌和机理的主要因素。
固溶试样经过激光冲击后,表面腐蚀形貌表现为晶界腐蚀较宽而晶内较平整,晶界腐蚀不深,出现刀刻面形貌。激光冲击引入的高密度位错使晶粒内部能量升高,随着与腐蚀介质接触首先引起晶界腐蚀,随后主要腐蚀区域从晶界转移到晶内,同时由于残余压应力,多晶体之间相互作用之间的协同性,出现刀刻面腐蚀形貌,表现为晶间腐蚀形式。在500℃退火30min后,变形晶粒通过其内部形变储能的释放,开始发生回复,形变组织开始消失但仍有大量微结构存在,腐蚀试验表现为晶间腐蚀伴随点蚀的形式。在900℃、950℃、1000℃下分别退火5min、10min、15min后,晶内微结构在温度和保温时间的共同作用下,滑移线、位错、层错、形变孪晶等逐渐减少,退火孪晶逐渐增多,孪晶间距逐渐变宽,孪晶边界也逐渐变清晰,甚至出现晶界析出物。说明随着温度升高和保温时间延长,激光冲击组织由回复逐渐向再结晶转变,在这个过程中,形变引起的微观组织演变逐渐减少,退火孪晶随着大角度晶界的移动而长大,在这个长大的过程中,孪晶有可能合并、消失、长大,最后剩余为数不多的孪晶。在腐蚀试验中,各组试样腐蚀形式大部分为晶间腐蚀结合点蚀的形式。而在950℃退火5min后其在本实验条件下腐蚀性能表现最优。
固溶处理后,形变退火再加载激光冲击,材料内部显微硬度升高约40%,腐蚀实验表明,腐蚀略有加剧,再次表明激光冲击会影响材料的抗腐蚀性能,但试样内部由于机械形变结合后续保温退火优化了材料的内部显微组织,故激光冲击对材料的腐蚀性能的影响不是特别明显,仅发生在激光冲击对304奥氏体不锈钢腐蚀性能的影响层。
综上所述,激光冲击诱导表层微结构演变,由于材料表面能升高,在腐蚀溶液中抗腐蚀性能未见改善;重新加热使激光冲击形变组织回复,抗腐蚀性能有所回升;而材料内部微观组织重组后再加载激光冲击,对在腐蚀溶液中腐蚀性能的改善有一定作用,但不明显。所以在激光冲击表面改性中,通过寻求材料内部组织优化途径,达到激光冲击既带来提升材料力学性能又提高其抗腐蚀性能的效果仍需深入研究。