江蘇大學(xué)魯金忠團(tuán)隊(duì)頂刊：薄壁鋁合金激光沖擊強(qiáng)化殘余應(yīng)力與微觀組織協(xié)同耐蝕機(jī)制

AA6061-T6鋁合金憑借其高比強(qiáng)度與輕量化優(yōu)勢(shì)，在航空航天、海洋工程及汽車制造等關(guān)鍵領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，在含氯離子服役環(huán)境中，該合金極易發(fā)生點(diǎn)蝕與晶間腐蝕，嚴(yán)重制約構(gòu)件的長(zhǎng)期服役安全性與使用壽命。激光沖擊強(qiáng)化（LSP: Laser shock peening）作為一種先進(jìn)的表面塑性強(qiáng)化技術(shù)，可通過引入高幅殘余壓應(yīng)力并誘導(dǎo)表層晶粒細(xì)化，顯著改善材料的耐腐蝕性能。然而，當(dāng)LSP作用于薄壁鋁合金構(gòu)件時(shí)，常伴隨整體彎曲變形的產(chǎn)生，導(dǎo)致有益殘余壓應(yīng)力的釋放甚至逆轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力狀態(tài)，從而削弱耐蝕強(qiáng)化效果。目前，關(guān)于LSP誘導(dǎo)的微觀組織演變與殘余應(yīng)力狀態(tài)對(duì)薄壁構(gòu)件耐蝕性的協(xié)同作用機(jī)制尚缺乏系統(tǒng)闡釋，沖擊面積參數(shù)對(duì)變形行為及耐蝕性能的調(diào)控規(guī)律亦有待深入揭示。

針對(duì)上述問題，江蘇大學(xué)王長(zhǎng)雨博士（第一作者）、張乾威碩士生（共一作者）、羅開玉教授（通訊作者）及魯金忠教授（通訊作者）等人，通過設(shè)計(jì)差異化的激光沖擊面積，系統(tǒng)探究了LSP對(duì)薄壁Al–Mg–Si合金宏觀變形、殘余應(yīng)力分布及耐腐蝕行為的影響規(guī)律。研究中綜合開展了表面完整性評(píng)估（涵蓋宏觀曲率變形、表面形貌及深度方向殘余應(yīng)力測(cè)試）與多尺度微觀結(jié)構(gòu)表征（包括SEM、EBSD、XRD及TEM/EDS分析）；結(jié)合動(dòng)電位極化與電化學(xué)阻抗譜測(cè)試，輔以XPS鈍化膜化學(xué)組分解析，深入揭示了不同殘余應(yīng)力狀態(tài)下合金的腐蝕損傷演化行為，闡明了微觀組織優(yōu)化與殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的協(xié)同耐蝕機(jī)理。相關(guān)研究成果以題為“Laser shock peened Al–Mg–Si alloy: Residual stress, microstructure, and corrosion”發(fā)表于機(jī)械工程領(lǐng)域權(quán)威期刊International Journal of Mechanical Sciences。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2026.111603

研究結(jié)果表明，大面積LSP處理雖會(huì)導(dǎo)致試樣發(fā)生顯著彎曲變形并引入表面殘余拉應(yīng)力，但其耐蝕性能仍明顯優(yōu)于未處理狀態(tài)。具體的，極化電阻（Rp）提升4.2倍，鈍化電流密度（Ipass）降低0.121 μA/cm2，點(diǎn)蝕電位（Epit）正向偏移0.060 V。這一現(xiàn)象主要?dú)w功于LSP誘導(dǎo)的微觀組織優(yōu)化效應(yīng)：微米級(jí)Al8Fe2Si相發(fā)生局部溶解，而納米級(jí)α-Al(Cr, Mn, Fe)Si相在表層實(shí)現(xiàn)完全固溶，有效削減了微電偶腐蝕的陰極活性位點(diǎn)；與此同時(shí)，表層晶粒納米化促進(jìn)了富Al2O3非晶鈍化膜的形成（Al2O3含量提升10.96%–13.20%）。當(dāng)通過縮小沖擊面積有效抑制彎曲變形后，表面殘余拉應(yīng)力逆轉(zhuǎn)為高幅殘余壓應(yīng)力（–98 MPa），并在微觀組織演變的協(xié)同作用下使Rp值進(jìn)一步躍升至大面積處理試樣的63.55倍，Ipass額外降低0.190 μA/cm2，Epit再度正移0.176 V。

圖1 不同沖擊面積下試樣宏觀形貌、殘余應(yīng)力分布及EBSD分析

圖2 NP與LSP-ND試樣表面第二相SEM形貌及EDS線掃描結(jié)果，以及各試樣的XRD圖譜

圖3 LSP-ND試樣表層TEM明/暗場(chǎng)像、EDS元素面分布及SAED圖譜

圖4 LSP-ND試樣氧化膜截面TEM像、EDS線掃描及XPS光譜擬合結(jié)果

圖5 各試樣在3.5 wt.% NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線

圖6各試樣浸泡不同時(shí)間的電化學(xué)阻抗譜及等效電路擬合模型

圖7NP、LSP-SD和LSP-ND試樣的腐蝕機(jī)理示意圖

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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