Corrors. Sci.：表层结构梯度化对7150铝合金局部腐蚀是一把双刃剑

【引言】
金属材料晶粒尺寸纳米化可分为两大类：块体纳米化和表层纳米化。块体纳米化后，构件整体强度显著增大，同时也伴随着韧性的剧烈下降。这一世界性难题目前还暂时无解。表层纳米化虽然对构件整体强度的改善有限，但对表面相关性质如腐蚀、疲劳和断裂韧性等作用巨大。目前来看，表层纳米化是更有应用前景的一类技术。

【成果简介】
近日，普渡大学Qingyou Han教授（通讯作者）在Corrors. Sci上发表了题为“Localized corrosion behaviour of AA7150 after ultrasonic shot peening: corrosion depth vs. impact energy”的文章。该文研究了超声喷丸表面剧烈塑性变形后AA7150铝合金的局部腐蚀动力学特征。超声喷丸处理后，铝合金表层晶粒尺寸纳米化、梯度化，时效析出的纳米强化相重新回溶表层铝基体，组织均一化效果显著。表层化学成分也出现变化，获取了一种表层结构梯度化的7150铝合金。

通过调控喷丸时间、超声振幅、喷丸距离和喷丸粒径，获取了不同冲击能量的AA7150样品。在标准晶间腐蚀溶液中浸泡24h后，高能量喷丸处理样（塑性变形厚度 > 20 µm）的局部腐蚀完全被抑制。但低能量喷丸处理样（塑性变形厚度 < 20 µm）的点蚀坑呈“针状”，腐蚀深度反而比空白样更大。浸泡72h后，高能量喷丸处理样也出现穿透力更强的“针状”点蚀坑。这是由于表层结构梯度化是一把双刃剑，它能够显著抑制合金局部腐蚀的诱发但又会加速局部腐蚀的扩展过程。本文构建了表层组织、成分与局部腐蚀之间的关系。

Graphic Abstract

【图文导读】

图一  7150板材的金相

图二  超声喷丸装置示意图

表一  四组超声喷丸处理参数

图三  超声振幅对7150铝合金表层变形厚度和局部腐蚀深度的影响（喷丸时间、喷丸距离和喷丸粒径的影响详见原文）

(a) 超声振幅越大，能量越高，喷丸作用深度越大
(b) 喷丸处理区域与空白区域的腐蚀深度对比
(c) 局部腐蚀形貌与深度
(d) 局部腐蚀深度的统计结果

图四  样品的OCP

(a) 喷丸时间的影响
(b) 超声振幅的影响
(c) 喷丸距离的影响
(d) 喷丸粒径的影响

图五  元素表面偏析及其对OCP影响

(a) 高能量处理样品的元素表层偏析
(b) 低能量处理样品的OCP-组成关系
(c) 高能量处理样品的OCP-组成关系

图六  样品的XRD表征

(a) 空白样、低能样、高能样以及Al的理论计算XRD
(b) 时效析出相的回溶
(c) (d) 晶粒尺寸和微观应变求解
(e) (f) XRD衍射峰的偏移

图七  样品的SEM和 TEM

(a) 空白样SEM
(b) 高能量喷丸处理样截面SEM 
(c) 高能量喷丸处理样截面TEM (距表面~10 µm)
(d) 高能量喷丸处理样截面TEM (距表面~5 µm)

图八  样品的极化曲线和点蚀电位

(a) 样品的极化曲线
(b) 点蚀电位与喷丸时间的关系
注：该组属于低能量喷丸处理样品

图九  三次浸泡后的腐蚀截面与深度

(a) 空白样
(b) 高能量冲击样品
(c) 腐蚀深度统计

图10   局部腐蚀动力学的比较

【小结】

1、超声喷丸处理能量越大，OCP越负，归因于Zn的表层偏析随着能量增大而变得显著。高能量处理的合金表层是牺牲阳极层，保护了次表层或合金基体。

2、喷丸处理后，AA7150的点蚀电位更正，合金钝化区间增大，极大地提升了合金耐局部腐蚀诱发的能力。这归因于表层组织的均一化、晶粒扭曲细化以及残余压应力的引入。

3、合金的局部腐蚀一旦诱发，梯度化结构导致形成开口较小的点蚀坑，点蚀坑内外的物质交换受阻，蚀坑再钝化和消亡能力严重下降，因而形成了穿透能力更强的“针状”点蚀坑。

4、从局部腐蚀的角度看，表层结构梯度化可能是一把双刃剑，要根据材料的服役环境选择合适的工艺参数，尽量扬长避短。

文献链接： 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 )

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