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铝及铝合金具有比强度高,塑性好,导电、导热性能优异,以及优良的加工性能和耐蚀性能,已经成为重要的航空材料。随着铝合金服役时间的增加,机体腐蚀成为严重制约飞机安全的因素之一。本文选取7075航空铝合金作为研究材料。经过长时间服役后发生严重腐蚀的构件的失效分析发现,在有氯离子存在的环境下,铝合金飞机构件的腐蚀具有点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等多种腐蚀形式。
激光冲击技术是近年来快速发展的一种材料表面改性技术。利用高峰值功率密度(大于10W/cm)激光束冲击工件表面,借助于高压力峰值的应力波(最大可达10GPa左右)使金属表面产生形变强化,提高构件表面强度和产生有利的残余压应力。本文采用输出波长1064nm、脉冲宽度15ns、最大输出能量12J、光斑直径3mm的GAIA的高能固体激光器对7075航空铝合金表面进行了一次及多次冲击,探索了航空铝合金在激光冲击强化下的微结构演变,通过力学性能测试,分析了其微结构演变特征和强化机理,研究了强化后材料表面在氯离子环境下的腐蚀行为。
试验结果表明:7075铝合金在激光冲击作用下,随着冲击次数增多,位错数量急剧增加,由于析出相的钉扎作用,阻碍位错运动,在晶粒内观察到密集的位错网络。这些微结构的演变是激光冲击强化的主要强化机制。借助TEM透射电镜及HRTEM像发现,在本实验所用激光冲击能量条件下,在7075航空铝合金表层得到一种非晶/纳米晶复合表层,其深度可达100μm左右。复合表层的组织特征为多元非晶合金与弥散分布的直径为2~3nm纳米晶的混合组织,具有高熵合金层的特点。利用HVS-1000型数字显微硬度计测量激光冲击后试样的硬度,激光冲击后材料的表层硬度略微下降或与基体持平,在激光冲击区域的次表层,激光冲击波体现为加工硬化作用,显微硬度大约提升30HV。
根据GB/T7988-2005T标准研究了激光冲击强化对航空铝合金抗晶间腐蚀的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)观察了材料的腐蚀情况,并结合激光冲击对材料表层微观结构的影响,研究了激光冲击改善航空铝合金抗晶间腐蚀性能的机制。实验结果表明:随着激光冲击次数增多,材料表面腐蚀产物和腐蚀坑数量都有所减少,相应的其抗晶间腐蚀性能也较好。
由于激光冲击后材料的表层得到一种非晶/纳米晶复合材料层,因此原本基体与η相等析出相构成原电池而导致的电化学腐蚀得到抑制;由于激光冲击强化材料表面析出相的细化,材料的抗点蚀性能有所改善;激光冲击后材料表层产生有利的残余压应力,增强了材料的抗应力腐蚀性能。由于电化学腐蚀和点蚀都会导致航空铝合金表层基体产生微裂纹,导致构件材料表面与空气中的氯离子、水分等接触并沿晶界析出AlCl3和Al(OH)3,在应力的作用下,加快晶界发生分离最后导致严重的晶间腐蚀,因此利用激光冲击技术可以有效地改善7075航空铝合金材料的抗蚀性。