便携式激光冲击强化协同增强AA5083铝合金：表面异质化与晶体学工程机制研究

《Journal of Ocean Engineering and Science》：Synergistic enhancement of AA5083 alloy via portable laser shock: mechanisms of surface heterogenization and crystallographic engineering

　　

摘要专业翻译 LSPwC诱导的非晶-纳米晶氧化膜显著提升了铝合金的电化学腐蚀抗力。晶体学工程实现了AA5083铝合金的深度梯度协同强化。缺陷介导的溶质捕获作为抑制晶界富Mg相析出从而实现抗敏化性能的核心机制。便携式低能激光可实现现场加工，突破了传统激光冲击强化（LSP）的工业应用限制。AA5083铝合金作为典型的AA5XXX系合金，因其耐腐蚀性、高比强度和成本效益而被广泛应用于船舶建造、海上平台及海洋工程结构。在长期海洋服役过程中，AA5XXX系合金中的Mg原子倾向于沿晶界析出，尤其是在高温或热暴露条件下，这一现象被称为敏化。由于Al?Mg?相的电化学活性高于α-Al基体，其析出会促进含氯环境中沿晶界的优先溶解，导致富Mg的AA5XXX系合金易发生晶间腐蚀（IGC），威胁海洋结构物的耐久性与长期安全性。本研究提出了一种基于无吸收层激光冲击强化（LSPwC）的腐蚀防护策略，该策略消除了传统LSP所需的吸收层，在加工过程中对表面质量造成可忽略的退化，并已展现出同时改善铝合金耐腐蚀性和表面硬度的显著潜力。此外，LSPwC固有的设备特性使其具备小型化和便携化的巨大潜力，这对于大型海洋构件和船舶建造结构的现场处理尤为具有吸引力。本研究系统比较了经LSPwC处理的试样与未处理对照组在均匀敏化条件下的性能表现。与相关研究相比，本研究取得两项关键突破：其一，通过解析表面异质氧化膜揭示了电化学性能增强的起源；其二，提出了基于晶体学工程的AA5XXX铝合金溶质捕获抗敏化机制。此外，在变形改性层中识别出高密度层错，可能为晶体学工程提供新途径。通过利用高能激光等离子体调控原子尺度扩散和微观结构演化，本研究展示了开发适用于恶劣海洋和近海环境的耐久材料之可扩展路径。

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一、研究背景与问题提出

AA5083铝合金作为典型的AA5XXX系合金，因其优异的耐腐蚀性、高比强度和良好的成本效益，在船舶建造、海上平台和海洋工程结构中得到广泛应用。然而，在长期海洋服役过程中，AA5XXX系合金中的Mg原子倾向于沿晶界析出，尤其是在高温或热暴露条件下，这一现象被称为敏化。由于Al?Mg?相的电化学活性高于α-Al基体，其析出会促进含氯环境中沿晶界的优先溶解，导致富Mg的AA5XXX系合金易发生晶间腐蚀，严重威胁海洋结构物的耐久性与长期安全性。

针对这一问题，过去数十年间发展了多种抗敏化和腐蚀控制策略。炉内脱敏处理可在特定温度下促进Mg的再固溶，激光表面脱敏、火焰处理等热处理方法也被相继开发。然而，这些方法主要针对已敏化材料的矫正性处理，难以应用于大型船板、焊接组件和在役海洋结构。在船舶建造中，局部热处理可能进一步引起退火、残余应力重新分布或力学性能退化，且只能提供有限的腐蚀改善。稀土掺杂从合金设计角度抑制敏化腐蚀，但显著降低可焊性，限制大规模制造，且成本高昂、工艺复杂，主要局限于实验室研究。表面晶体学工程技术如喷砂、超声冲击和激光冲击强化虽能改善腐蚀性能，但大多数技术受限于设备尺寸和吸收层要求，无法满足大型海洋结构的现场处理需求。表面涂层防护虽能形成屏障，但难以同时改善硬度和疲劳抗力等力学性能，且性能高度依赖界面结合质量。

综上所述，现有技术受限于性能折衷、高成本或单一性能增强，亟需一种集抗敏化、耐腐蚀和力学增强于一体的表面材料工程策略，以满足大型结构的应用需求。

二、研究内容与总体结论

为克服上述方法的局限性，本研究提出了一种基于无吸收层激光冲击强化（LSPwC）的腐蚀防护策略。该策略消除了传统LSP所需的吸收层，在加工过程中对表面质量造成可忽略的退化，并已展现出同时改善铝合金耐腐蚀性和表面硬度的显著潜力。此外，LSPwC固有的设备特性使其具备小型化和便携化的巨大潜力，这对于大型海洋构件和船舶建造结构的现场处理尤为具有吸引力。研究系统比较了经LSPwC处理的试样与未处理对照组在均匀敏化条件下的性能表现，取得两项关键突破：其一，通过解析表面异质氧化膜揭示了电化学性能增强的起源；其二，提出了基于晶体学工程的AA5XXX铝合金溶质捕获抗敏化机制。此外，在变形改性层中识别出高密度层错，可能为晶体学工程提供新途径。通过利用高能激光等离子体调控原子尺度扩散和微观结构演化，本研究展示了开发适用于恶劣海洋和近海环境的耐久材料的可扩展路径。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要关键技术方法包括：无吸收层激光冲击强化（LSPwC）处理，使用便携式激光系统，光斑尺寸固定为1500 μm，通过调节单脉冲能量（0.5 J、1.0 J、1.5 J）改变脉冲能量密度；电化学阻抗谱（EIS）和极化曲线（PC）测试用于定量评估腐蚀抗力；硝酸质量损失测试（NAMLT）用于量化敏化程度（DoS）；浸泡试验结合光学显微镜测量腐蚀深度；维氏硬度测试和残余应力分析仪用于深度方向力学性能评估；扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）表征微观形貌和局部成分；激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）进行三维表面重建和粗糙度定量分析；电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒取向和晶体学织构演变；X射线光电子能谱（XPS）测定表面氧化膜成分、价态和厚度；聚焦离子束-扫描电子显微镜（FIB-SEM）制备透射电镜（TEM）样品；场发射透射电子显微镜（FTEM）结合能谱分析（EDS）观察纳米尺度微观结构。材料为3 mm厚的AA5083-H116板材，所有试样经LSPwC处理后于100°C敏化48小时，部分试样额外磨除约5 μm表面层以区分表面氧化膜与变形影响基体的贡献。

四、研究结果

4.1 表面形貌表征

LSPwC显著改变了试样表面形貌，产生重熔微观结构。算术平均粗糙度（Ra）从未处理的0.92 μm增加至LSPwC-0.5J、LSPwC-1.0J和LSPwC-1.5J的约3.03、3.77和3.79 μm，归因于激光诱导表面基体重熔和等离子体冲击波引起的塑性变形的共同作用。接触角从72.8°增加至92.3°、87.4°和94.6°，表现出轻度疏水性。截面形貌和元素分布显示LSPwC处理后表面形成极薄的富氧层。

4.2 电化学性能测试

EIS测试显示LSPwC处理试样的阻抗弧半径比未处理组大10-100倍，电荷转移电阻（R_ct）从未处理的61.32 Ω·cm2提升至6766-12050 Ω·cm2，提升约两个数量级。极化曲线测试显示腐蚀电流密度（i_corr）从412 μA/cm2降至3.02-6.31 μA/cm2，降低约两个数量级。磨除表面重熔层的G组试样仍保持优于未处理组的腐蚀性能，R_ct平均提升约2倍，i_corr平均降低约2.5倍，表明LSPwC对基体的改性作用同样对腐蚀性能提升起关键作用。

4.3 浸泡试验与硝酸质量损失测试

浸泡试验显示LSPwC处理试样表现出最佳耐腐蚀性，初始阶段（12-24 h）腐蚀可忽略，全程腐蚀深度持续低于其他组；G组次之；未处理组耐蚀性最差，最大平均腐蚀深度达521 μm，约为其他组的1.5倍。所有组均呈现典型的晶间腐蚀特征。NAMLT结果显示LSPwC处理组的敏化程度（DoS）值显著低于未处理组（24.5），且脉冲能量对结果有影响。两种测试均表明主要防护来自致密的富氧表面膜，一旦该层在强腐蚀条件下耗尽，后续行为由与敏化相关的晶界化学决定。

4.4 力学性能与应力场分布

硬度测试显示未处理组表面显微硬度为90.6 HV，LSPwC处理组呈现明显深度梯度，G-1.5J组在50 μm深度达到最大硬度117.5 HV，较未处理组同深度提高31.5%。残余应力测试显示LSPwC诱导了约700 μm厚的压应力层，最大压应力为161-190 MPa。拉伸试验显示抗拉强度（UTS）从323 MPa（未处理）随脉冲能量增加至351、369和398 MPa，延伸率从27.9%逐渐降至23.6%。塑性变形阶段的锯齿状流变对应Portevin-Le Chatelier（PLC）效应，与动态应变时效（DSA）机制相关，LSPwC处理试样更显著的波动与激光冲击引起的严重塑性变形产生超高密度位错和变形诱导空位密切相关。

4.5 EBSD测试与晶体织构演变分析

EBSD表征显示LSPwC处理试样表面和浅次表层发生显著晶粒细化，核平均取向差（KAM）值显著高于未处理组，表明几何必要位错（GNDs）密度更高。极图分析显示晶体学织构发生明显转变：主导取向从(100)型转变为集中的(111)型，最大随机分布倍数（MRD）从(100)取向的3.75转移至(111)取向的4.15，这是α-Al基体对激光冲击驱动强烈塑性变形的晶体学响应。

4.6 微观结构演变与化学分析

XPS分析显示LSPwC生成的薄膜具有明显的深度依赖性成分梯度：表面Al?O?含量高、金属Al含量低，溅射25 nm后金属Al含量增加至8%-18%。TEM表征揭示了LSPwC-1.0J试样呈三层结构：沉积碳层、约200 nm厚的富氧层和金属Al基体。富氧层为非晶-晶体复合结构，包含非晶Al?O?、纳米晶γ-Al?O?和α-Al相。基体浅次表层观察到高密度缠结位错、位错墙、亚晶界以及大量层错（SFs），这是面心立方（FCC）金属在高应变速率下的典型变形特征。基体中弥散分布的Mg?Si相和Al?Mn相颗粒周围观察到高密度位错及其钉扎效应。

五、讨论总结与研究结论

讨论部分首先阐述了冲击波形成与表面异质膜生成的机制。激光峰值功率密度是控制等离子体形成的关键参数，通过公式I? = 4E?/(πD2τ)计算。XPS和TEM联合表征明确了LSPwC-1.0J试样富氧膜的结构：由非晶Al?O?、纳米晶γ-Al?O?和α-Al组成的异质复合结构，Al?O?含量从膜表面到基体逐渐降低，金属Al含量逐渐增加，膜底部晶体相含量高于上部和中部的分布特征。

研究结论可概括为：LSPwC处理在AA5083铝合金表面形成了约200 nm厚的非晶-纳米晶复合氧化膜，该膜作为致密物理屏障显著提升了电化学腐蚀抗力，使电荷转移电阻提升约两个数量级、腐蚀电流密度降低约两个数量级。同时，LSPwC在基体浅次表层诱导了深度梯度强化层，该层具有晶粒细化、高密度位错和层错、压应力场以及(100)→(111)织构转变等晶体学工程特征。缺陷介导的溶质捕获机制有效抑制了晶界富Mg相析出，赋予材料抗敏化性能。便携式低能激光系统实现了现场加工能力，突破了传统LSP的工业应用限制，为船舶建造和海洋工程中大型铝合金结构的表面防护与强化提供了可扩展的技术路径。