喷丸压力对时效硬化铜合金微观结构、晶粒细化及氢脆行为的影响机制研究

为解决高强铜合金在氢环境中易发生脆性断裂的问题，研究人员系统探究了喷丸压力(0.2-0.8 MPa)对Cu-5Ti-0.2Fe合金微观结构演变、力学性能及氢脆敏感性的影响。研究发现提高喷丸压力可显著细化晶粒(从33 μm降至18 μm)、提升硬度(最高达325 HV)，并意外改善延伸率(从18.5%增至23.5%)，同时降低氢环境下的脆性断裂比例。该研究为航空航天、海洋工程等领域的高强铜合金表面强化提供了新思路。

　　

在航空航天、海洋工程和石油化工等领域，金属材料在高压氢环境中的可靠性至关重要。铜合金因其低氢溶解度和相对良好的抗氢脆性能成为理想选择，但当添加钛(Ti)元素提升强度时，往往伴随延展性急剧下降。更棘手的是，这类高强铜合金在氢环境中可能出现突发性脆断，成为重大安全隐患。传统解决方案如添加铁(Fe)元素虽能抑制早期析出相，但无法根本解决氢脆问题。面对这一挑战，表面改性技术——特别是喷丸强化(Shot Peening)——因其能同时改善材料表面硬度和引入残余压应力的特性，被视为潜在突破口。

为系统探究喷丸压力对时效硬化铜合金性能的影响，研究人员设计了一项创新性研究。通过真空感应熔炼制备Cu-5Ti-0.2Fe合金，经历均匀化、热轧、固溶处理和时效硬化等多道工序后，采用0.2-0.8 MPa不同压力进行喷丸处理。借助X射线衍射(XRD)、能谱分析(EDS)和扫描透射电子显微镜高角环形暗场像(STEM-HAADF)等技术，揭示了β-Cu₄Ti析出相在晶界的分布规律。力学测试结合氢环境暴露实验证实，喷丸压力与材料性能存在显著相关性。

关键实验方法
研究采用真空感应熔炼制备Cu-5Ti-0.2Fe合金铸锭，经1273K/1440min均匀化处理后进行573K热轧（60%厚度减薄），随后进行723K固溶处理与时效硬化。喷丸处理使用0.2/0.5/0.8 MPa三组压力参数，通过显微硬度计、电子背散射衍射(EBSD)和拉伸试验评估性能变化，氢脆敏感性测试在高压氢环境中完成。

Microstructural investigation
显微分析显示，时效硬化后的合金中存在微米级和纳米级双重析出相。XRD谱中出现的特征峰证实了α-Cu₄Ti相与基体的共格关系。值得注意的是，喷丸处理显著细化了表面晶粒，且随着压力增加，晶粒尺寸呈现梯度下降：0.2 MPa时为33 μm，0.8 MPa时降至18 μm。STEM-HAADF观测到β-Cu₄Ti相优先在晶界析出，这种分布特征对氢扩散路径产生重要影响。

力学性能与氢脆行为
未经处理的基体合金硬度为277 HV，喷丸后最高提升至325 HV（0.8 MPa组）。令人意外的是，延伸率随喷丸压力增加不降反升：从0.2 MPa组的18.5%增至0.8 MPa组的23.5%。氢暴露实验显示，高压喷丸样本的脆性断裂比例显著降低，表明喷丸诱导的压缩残余应力有效阻碍了氢向材料内部的渗透。

结论与意义
该研究证实喷丸压力通过晶粒细化和残余应力场协同作用，既能提升Cu-Ti-Fe合金的强度硬度，又可改善其抗氢脆性能。特别值得注意的是，传统认知中喷丸处理会降低材料延展性，但本研究通过精确控制压力参数，实现了强度与韧性的同步优化。这一发现为高强铜合金在极端环境（如100 MPa氢储罐）中的应用提供了理论依据和技术支撑。论文发表于《Vacuum》期刊， Wenbo Ding与Juan Xu的研究团队通过多尺度表征与性能测试相结合的方法，为金属材料表面改性领域贡献了重要案例。