激光沖擊不銹鋼抗腐蝕性能及微觀強化機理研究.pdf

1、激光沖擊強化是一種新型的材料表面強化技術，具有高壓、高能、超快和超高應變率等特點，具有常規(guī)加工方法無可比擬的優(yōu)點，具有顯著的技術優(yōu)勢。盡管激光沖擊強化金屬構件能夠顯著提高機械性能疲勞壽命，然而目前對于低層錯能金屬表層激光沖擊細化晶粒的微觀結構演變、性能結構關系以及抗應力腐蝕作用機理尚缺乏系統(tǒng)的研究，仍然缺乏統(tǒng)一的認識和深入的理解。
　　 本文以ANSI304不銹鋼為研究對象，對激光沖擊強化不銹鋼表面完整性、微觀結構演變和晶粒細化

2、機制、抗應力腐蝕性能以及激光復合處理工藝進行了若干基礎研究和探索，獲得了以下主要結論和創(chuàng)新性成果:
　　 (1)系統(tǒng)研究了多次激光沖擊誘導ANSI304不銹鋼塑性變形層不同區(qū)域的微觀組織結構，獲得了深度方向激光沖擊誘導的微觀結構演變規(guī)律，首次深入系統(tǒng)地揭示了以多方向機械孿晶細化表層原始粗晶為主的激光沖擊強化低層錯能金屬晶粒細化機制和微觀強化機理:
　　 單次激光沖擊ANSI304不銹鋼在表面形成厚度約為900μm的塑性變

3、形層，并且隨著離沖擊表面距離越遠，晶粒大小逐漸增大，細化原始晶粒是以片狀機械孿晶為主要形式;多次激光沖擊使奧氏體不銹鋼塑性變形層的晶粒明顯細化，在激光沖擊ANSI304不銹鋼的上表面，晶粒尺寸約為100-200nm。在觀測試驗結果的基礎上，多次激光沖擊ANSI304不銹鋼微觀結構演變規(guī)律和晶粒細化機制為:(i)高密度的機械攣晶將原始粗晶細分為層片狀攣晶/基體片;(ii)多次沖擊能夠形成不同方向的機械攣晶將粗晶細化為斜方形、三角形形狀的結

4、構，最小可以觀察到亞微米量級;(iii)具有取向差結構經過再結晶演變成細化的晶粒。研究成果發(fā)表在國際知名期刊ActaMaterialia(2010，58(16):5354-5362)上，評審專家認為:“Combinedwithpriorreportingoftheworkonhigh-stackingfaultenergyFCCaluminum,theworkonlowstackingfaultenergystainlesssteelm

5、akesthisanimportantcollectionthatwillbewidelyused(……形成一個完整的面心立方金屬激光沖擊晶粒細化的微觀強化機理)”，該部分研究成果在國際上產生良好的影響。
　　 (2)設計了不同晶粒尺寸和殘余應力狀態(tài)的三種不同U型彎曲試樣，測試和表征了143±1℃42％MgCl2溶液條件下腐蝕裂紋萌生時間、裂紋形貌、殘余應力以及微觀結構，獲得了殘余壓應力和晶粒細化共同作用的激光沖擊不銹鋼抗應力腐

6、蝕的作用機制:
　　 三種不同U型彎曲試樣在143±1℃42％MgCl2溶液內應力腐蝕裂紋萌生時間、裂紋形貌、殘余應力以及微觀結構的試驗結果表明:大面積搭接激光沖擊能夠誘導高幅殘余壓應力并且細化ANSI304不銹鋼表層晶粒，未處理U型試樣的開裂時間約為16小時，先沖后彎U型試樣的開裂時間約為110小時，而先彎后沖試樣300小時浸泡都未出現(xiàn)腐蝕裂紋，晶粒細化和殘余應力是提高ANSI304奧氏體抗腐蝕能力的兩大主要因素，其中殘余壓應

7、力占主導作用，晶粒細化也是抑制應力裂紋萌生和擴展的主要因素。研究成果發(fā)表在國際知名期刊CorrosionScience(2012，60:145-152)上，評審專家認為:“TheeffectoflasershockpeeningonmitigationofSCCbyinducingcompressivestressandrefinedgrainsisveryinteresting.Thissubmissioniswellwrittena

8、ndofhighquality.（激光沖擊導致的應力腐蝕裂紋延緩和減輕是非常有趣的，論文具有高質量…）”。
　　 (3)實驗研究了激光沖擊對ANSI304不銹鋼表面微觀形貌、納米硬度、彈性模量、殘余應力和摩擦磨損性能的影響，研究結果表明激光沖擊不銹鋼不能明顯誘導馬氏體相變，獲得了單次激光沖擊ANSI304不銹鋼表面殘余應力變化和深度方向的分布規(guī)律以及激光沖擊ANSI304不銹鋼的復合結構特征，并揭示了復合結構的形成機理:

9、　　 多次激光沖擊ANSI304不銹鋼不能誘導馬氏體相變，其主要原因是因為激光沖擊強化不銹鋼過程不涉及熱效應過程;激光沖擊并沒有提高ANSI304不銹鋼的磨損性能和降低摩擦系數，相反在某些條件下激光沖擊ANSI304不銹鋼反而降低了不銹鋼表面的磨損性能和增加了摩擦系數的不穩(wěn)定性。系統(tǒng)研究了多次激光沖擊對ANSI304不銹鋼表面微觀幾何特征的影響，激光沖擊明顯增大表面波紋度，并造成波紋度尺度的雙向加工紋理，紋理方向為順搭接方向，在繼承前

10、一工藝的小微觀尺度結構特征的基礎上，疊加并形成新的大微觀尺度結構的復合結構特征，并揭示了激光沖擊ANSI304不銹鋼表面復合結構的形成機理。研究成果發(fā)表在國際知名期刊MaterialsScienceandEngineering:A(2011,528(13-14):4783-4788)上。
　　 (4)研究和分析了激光熱力復合處理ANSI304不銹鋼的宏觀性能和斷口形貌，探索激光熱力復合處理工藝規(guī)律，揭示了多次激光沖擊不銹鋼焊接件

11、的韌窩形成過程，這將開辟結構金屬的激光熱力復合再制造理論和技術的研究:
　　 多次激光沖擊強化將ANSI304不銹鋼焊接接頭的屈服強度提高21.79％，延伸率增長5.48％，其主要原因可能是激光沖擊導致焊接接頭的斷裂面更明亮、無分層，韌窩分布更均勻;多次激光沖擊不銹鋼焊接件的韌窩形成過程為:(i)微空洞成核;(ii)受外力作用微空洞生長;(iii)微空洞連接;(iv)在外在強載荷作用下的韌性斷裂形成韌窩。采用激光雕刻和激光沖擊復