通过电磁加热辅助激光冲击强化技术提高铝合金在海洋环境中的耐腐蚀性能

《Optics and Lasers in Engineering》：Enhanced corrosion resistance of aluminum alloys for marine environments via electromagnetic heating-assisted laser shock peening

本工作提出电磁加热辅助激光冲击处理（EH-LSP）工艺，通过将5052铝合金加热至动态应变时效温度（约150°C），结合高应变率变形，促进位错-溶质相互作用并稳定残余压应力，细化表层显微结构。实验表明，EH-LSP使腐蚀电流密度降低至未处理样品的4.3倍，优于传统LSP的1.7倍，显著提升海水环境中的抗腐蚀性能。

　　

陈志文|Yoo Sang Choo|洪明辉

厦门大学潘通沙微纳科学技术学院，中国厦门361005

摘要

铝合金在海洋环境中的腐蚀严重限制了海洋工程结构的耐久性。传统的激光冲击强化（LSP）可以通过细化晶粒来提高金属的耐腐蚀性，但往往难以保持致密和稳定的表面微观结构。在这项工作中，引入了一种电磁加热辅助的激光冲击强化（EH-LSP）方法，以增强5052铝合金的耐腐蚀性能。通过在强化过程中将合金加热到其动态应变老化（DSA）温度（约150°C），热激活与高应变率变形相结合，有助于位错-溶质相互作用，并保持压缩应力的稳定性。EH-LSP形成了约1.2毫米厚的硬化层，提供了高质量的表面和致密的细化晶粒。腐蚀电流密度降低了4.3倍（相对于未经处理的样品），并且比传统LSP降低了1.7倍。在模拟的海水腐蚀测试中，也表现出优异的防腐效果。这项工作表明，EH-LSP是铝合金在海洋环境中长期防腐的有效策略。

引言

金属在海洋环境中的腐蚀对海洋工程设备的耐久性和可靠性构成了严重挑战，导致了巨大的年度经济损失和显著的安全风险[1]。海水的高盐度、溶解氧含量、变化的温度和流动条件加速了电化学反应。在工程材料中，由于铝合金具有低密度、高强度和优异的加工性能，因此被广泛用于船舶、潜艇和海上平台[2]。在正常大气条件下，铝合金会形成一层致密的氧化膜，提供天然的防腐保护。特别是含镁的5系合金由于其固溶强化和良好的耐腐蚀性能，在海洋应用中具有吸引力[3]。[4],[5]。然而，在富含氯离子的海水中，氧化膜容易受到氯离子的侵蚀和破坏，从而导致点蚀和早期结构失效[[3],[4],[5]]。

由于腐蚀通常从金属表面开始，因此开发了各种表面保护策略来减少这种降解。涂层是一种常见的方法，作为物理屏障防止金属与海水直接接触。然而，它们的长期使用往往受到附着力弱、开裂或与海洋环境不兼容的限制[6]。工程方法通过改变表面润湿性[7]、成分[8]或微观结构[9]来提高耐腐蚀性。特别是基于严重塑性变形（SPD）的表面强化技术可以致密表面层、细化晶粒并引入有益的残余压缩应力，从而延缓腐蚀。

常见的SPD方法包括喷丸强化[10]、超声喷丸强化[11]和激光冲击强化（LSP）[12]。LSP利用高压等离子体产生的冲击波在金属表面诱导超高应变率的塑性变形。这一过程有助于细化晶粒并形成钝化膜，从而提高耐腐蚀性[13,14]。LSP已成功应用于许多金属，如铜[15,16]、钛合金[17]、钢[18]和铝合金[19,20]。然而，对于具有高堆垛故障能（SFE）的铝合金来说，实现显著的晶粒细化仍然很困难[12,21]。此外，LSP引入的残余压缩应力在热或腐蚀环境下容易松弛。为了获得更深的强化层，通常需要更高的激光能量，但这可能导致微裂纹并降低防腐效果[21]。为了克服这些限制，开发了温激光冲击强化（WLSP）[5],[22],[23],[24]，即在较高温度下进行强化处理以帮助位错移动并保持应力稳定。然而，WLSP受到其静态、非均匀加热过程的限制。与传统的加热方法相比，高频电磁感应加热能够提供快速、无接触且均匀的温度控制，效率更高。通过利用交流电的集肤效应，加热区域可以限制在表面附近，从而在受影响区域实现精确的热控制。作为一种无接触加热方法，电磁加热具有更广泛的应用性。这一特性还更好地结合了加热和激光脉冲的处理过程[25,26]。这种动态热机械耦合有望进一步提高强化效果，从而提高耐腐蚀性。

在这项研究中，我们提出了一种新的电磁加热辅助激光冲击强化（EH-LSP）方案，在5052铝合金的动态应变老化（DSA）温度（约150°C）下进行。在DSA温度下操作可以促进位错-溶质相互作用，稳定残余压缩应力，并细化近表面微观结构。通过系统研究表面形态、微观结构演变、电化学行为和海水防腐性能，本工作证明了EH-LSP处理可以有效提高铝合金的海水耐腐蚀性。

材料

使用尺寸为15毫米×15毫米×3毫米的商用5052铝合金作为样品。其成分（重量百分比）如下：4.9%镁、0.5-0.8%锰、0.4%铁、0.4%硅、0.02%铜、0.25%锌、0.15%钛、0.06-0.25%铬，其余为铝。实验前，样品依次用500#、800#、1200#、1500#和2000#砂纸打磨，然后用氧化铝磨料抛光。最后，依次用酒精和丙酮清洗。

表面形态

如图2(a)所示，激光处理区域与未处理区域明显区分开来。横截面视图（图2(b)）显示表面下有一层塑性变形层。这证实了传统LSP和EH-LSP都能有效引入亚表面变形。为了研究激光处理参数的影响，检查了单个激光诱导的凹坑。图2(c)显示了凹坑深度与激光功率密度的关系。对于这两种方法，凹坑深度都有所增加。

结论

本研究提出了一种电磁加热辅助激光冲击强化（EH-LSP）工艺，用于提高5052铝合金在海洋环境中的耐腐蚀性。通过在激光冲击强化过程中将合金加热到其动态应变老化温度（150°C），热机械耦合激活了位错-溶质相互作用，稳定了残余压缩应力，并细化了近表面微观结构。EH-LSP工艺形成的硬化层厚度约为

作者贡献声明

陈志文：撰写——原始草稿、研究、数据管理、概念构思。Yoo Sang Choo：监督、资源提供、研究、资金获取。洪明辉：撰写——审稿与编辑、监督、资源提供、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了南安市高能束加工研发中心硬脆材料项目（编号K84B5002）、天府兴隆湖实验室激光微纳制造高端人才引进项目（2025HJRC0007）以及福建省海洋创新中心项目的支持。