超声波纳米晶表面改性对增材制造Inconel 625合金腐蚀行为的影响

《Materials Characterization》：Effect of ultrasonic nanocrystal surface modification on corrosion behavior of additively manufactured Inconel 625

Inconel 625合金经PBF-LB/M工艺制备后，采用不同功率超声纳米晶表面处理（UNSM），研究其表面微观结构、钝化膜形貌与腐蚀行为的关系，发现100 W处理可维持腐蚀性能，而170 W和420 W因过度塑性变形导致残余应力变化，显著影响腐蚀电阻和电化学阻抗谱特性。

　　

扎赫拉·法蒂普尔（Zahra Fathipour）| 莫尔特扎·哈迪（Morteza Hadi）| 瓦希德·法尔塔什万德（Vahid Fartashvand）

材料工程组，戈尔帕耶甘工程学院（Golpayegan College of Engineering），伊斯法罕理工大学（Isfahan University of Technology），戈尔帕耶甘，87717-67498，伊朗

引言

英科镍625（Inconel 625）是一种基于镍的超合金，其特点是含有较高的铬和钼含量。铬含量增强了合金的耐腐蚀性，而钼则有助于降低点蚀发生的风险[[1], [2], [3]]。铌通过固溶强化作用提高了合金的强度，且不会导致沉淀硬化。因此，英科镍625被广泛应用于海洋、航空航天和化工行业，能够在恶劣环境中保持优异的性能[[3], [4], [5]]。近年来，增材制造技术（如直接金属沉积DMD和激光束粉末床熔融PBF-LB/M）在制造这类合金方面得到了越来越多的应用，相比传统的铸造和热加工方法具有显著优势[[6,7]]。多项研究探讨了使用这些技术制造英科镍625合金时的工艺参数[[8]]。 然而，尽管这些合金具有很高的耐腐蚀性，但在某些条件下仍可能发生点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀开裂（SCC）等问题[[9,10]]。为减轻腐蚀，可以采用耐腐蚀材料、调节pH值以及降低残余拉应力等方法。其中，通过表面改性技术施加压缩残余应力（以消除表面拉应力）是一种有效的手段。表面应力改性（SSPD）方法通过细化晶粒并引入压缩残余应力，有效提升了材料的疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性。主要的SSPD方法包括喷丸处理[[11], [12], [13]]、激光喷丸[[14], [15], [16]]、水射流喷丸[[17]]、超声波喷丸[[18]]以及超声波纳米晶表面改性（UNSM）[[19], [20], [21]]。目前在这一领域正在进行大量研究[[22]]。 在各种SSPD方法中，超声波纳米晶表面改性（UNSM）受到了特别关注。在该工艺中，材料表面受到频率约为20 kHz的硬质刚性钉子的冲击，这种冲击使材料表面发生变形，从而形成纳米晶结构。塑性变形会在表层产生约2毫米深的压缩残余应力。这种表面变形、纳米晶结构与压缩残余应力的结合显著提高了材料的硬度和耐磨性，并减缓了疲劳裂纹的产生[[23], [24], [25]]。UNSM的关键参数（如载荷、振幅、速度和功率）会影响表面粗糙度、应变硬化程度以及微观结构的变化[[20]]。其中，超声波功率直接决定了材料的能量输入和塑性变形的程度，是影响晶粒细化、残余应力及腐蚀行为的最关键因素。 UNSM处理能够提高材料的压缩残余应力、硬度、耐磨性和疲劳寿命，同时降低表面粗糙度[[12],[26],[27],[28]]。在我们之前的一项研究中，我们发现UNSM处理显著改善了英科镍625合金的摩擦学性能：硬度提高了63.3%，表面粗糙度降低了91.2%，摩擦系数降低了90.9%，磨损速率减少了30%[[29]]。尽管这些机械性能的提升已有充分记录，但UNSM对英科镍625电化学和腐蚀性能的影响仍需进一步研究。鉴于摩擦学领域的这些重要发现，一个值得探讨的问题是：这些改进会对合金的腐蚀性能产生怎样的影响？ 先前的研究表明，UNSM处理确实会影响合金的腐蚀性能。例如，有研究指出UNSM处理可以加速奥氏体不锈钢的钝化过程，形成更稳定、更具保护性的钝化膜，从而提高抗酸腐蚀能力[[30]]；另一些研究则发现UNSM处理减少了碳化物的偏聚，提高了晶间耐腐蚀性[[31,32]]。针对英科镍600合金的研究表明，UNSM处理促进了铬向表面的扩散，加速了钝化层的形成，从而提升了整体耐腐蚀性[[33]]。不过也有研究指出，过高的静态载荷可能会增加摩擦，进而降低合金的耐腐蚀性[[20]]。此外，关于UNSM处理的相关因素（如操作功率）及其对腐蚀影响的变量仍有待深入研究。 在本研究中，使用激光束粉末床熔融（PBF-LB/M）工艺制备的英科镍625合金样品接受了UNSM处理。其中，冲击功率这一关键参数被设置为可变因素。除了之前已被证明能显著改善合金摩擦学性能的100 W功率外，还选择了两个更高的功率水平（170 W和420 W）。这些功率水平的选取考虑了设备限制，并确保了足够的对比性。通过改变冲击功率，本研究旨在评估其对材料表面微观结构、钝化层形成及在恶劣环境中的腐蚀行为的影响。UNSM处理是在未经后续处理（如高压固结HIP或热处理）的情况下进行的，以便直接观察其对表面微观结构和耐腐蚀性的影响。研究重点分析了UNSM处理后合金的微观结构变化及晶体取向分布，并通过电化学阻抗谱（EIS）和电位动力学极化测试评估了其耐腐蚀性的变化。此外，还对未经处理和经过UNSM处理的样品的腐蚀表面进行了详细的微观结构和成分分析，以阐明表面改性对腐蚀机制的影响。

实验细节

实验方法

本研究使用Noura M100P激光束粉末床熔融（PBF-LB/M）设备制备了英科镍625合金样品。所用英科镍625粉末的粒径为65 μm，通过气体雾化法制备。按照制造商提供的最佳工艺参数，制备出了尺寸为60 × 10 × 6 mm的矩形样品，并验证了其化学成分符合英科镍625的标准要求。

电化学行为（阻抗与极化测试）

电化学阻抗谱（EIS）和极化测试是分析材料腐蚀性能的重要方法。本研究考察了未经处理和经过UNSM处理的PBF-LB/M制备的英科镍625合金的电化学性能，并对结果进行了比较。EIS通过施加小幅度正弦电流来测量电压响应，从而评估材料在宽频率范围内的电化学行为。

结论

本研究揭示了超声波纳米晶表面改性（UNSM）对PBF-LB/M制备的英科镍625合金性能的影响： - UNSM处理改善了合金的部分机械和摩擦学性能，但其对耐腐蚀性的影响很大程度上取决于所施加的功率水平。 - 在低功率（100 W）条件下，UNSM处理保持了钝化膜的完整性和耐腐蚀性，性能与未经处理的合金相当。 - 在较高功率（170 W及以上）条件下，UNSM处理进一步提升了合金的性能。

作者贡献声明

扎赫拉·法蒂普尔（Zahra Fathipour）： 负责撰写初稿和实验研究。 莫尔特扎·哈迪（Morteza Hadi）： 负责审稿、编辑以及概念构思。 瓦希德·法尔塔什万德（Vahid Fartashvand）： 负责审稿、编辑和实验研究。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益冲突或个人关系。