通过高频感应淬火和激光冲击强化技术，显著提升了14Cr12Ni3Mo2VN马氏体不锈钢的表面电化学稳定性

《Surface and Coatings Technology》：Synergistic improvement of surface electrochemical stability in 14Cr12Ni3Mo2VN martensitic stainless steel via high-frequency induction hardening and laser shock peening

　　

摘要

为了阐明高频感应淬火和回火（HT）与激光冲击喷丸（LSP）结合对14Cr12Ni3Mo2VN马氏体不锈钢电化学腐蚀性能改善的协同机制，系统地对四组试样进行了微观结构表征、残余应力评估、电化学测量和XPS分析：淬火回火（QT）处理组、HT处理组、LSP处理组以及HT-LSP复合处理组。结果表明，在所有研究条件下，HT-LSP复合表面改性处理后的材料表现出最佳的电化学腐蚀性能，显示出HT与LSP之间的显著协同效应。与QT处理组相比，HT-LSP处理组的腐蚀电流密度降低了约89％，而表观点蚀电位提高了约33％。HT通过细化马氏体组织、优化合金元素分布及调节第二相特性来改善材料本身的电化学腐蚀性能；同时，LSP通过引入严重的塑性变形、形成纳米晶表面层以及产生有益的压缩残余应力来增强材料表面的电化学稳定性。HT-LSP处理组优异的电化学性能归因于HT诱导的微观结构优化与LSP诱导的表面强化之间的协同作用。这些耦合效应促进了更稳定且具有保护性的钝化膜的形成（通过XPS分析得到证实），从而抑制了局部腐蚀的起始和扩展。本研究为开发多功能表面改性策略以提升在恶劣服役环境中使用的马氏体不锈钢组件的电化学腐蚀性能提供了新的见解。

引言

14Cr12Ni3Mo2VN马氏体不锈钢由于其出色的机械强度、韧性及抗环境退化能力，被广泛用于关键部件中，例如蒸汽涡轮机的末级叶片、燃气轮机的压气机叶片和航空发动机部件[1]。在潮湿蒸汽环境中长期服役时，氯离子（Cl?）和溶解氧等侵蚀性物质会破坏材料表面形成的钝化膜，促进局部腐蚀并逐渐降低材料的机械完整性[2]、[3]。由于潮湿蒸汽中的腐蚀性杂质无法完全消除，涡轮叶片的腐蚀损坏通常是一个渐进累积过程[4]、[5]。因此，开发有效的表面改性策略以增强电化学稳定性并抑制局部腐蚀的起始对提高马氏体不锈钢组件的服役可靠性至关重要[4]、[5]。

人们已投入大量努力通过基于相变和应变诱导强化的方法来改善马氏体不锈钢的表面性能。对于基于相变的方法，渗碳可以显著提高表面硬度；然而，富铬碳化物的形成可能导致铬元素局部耗尽，从而降低钝化膜的稳定性和耐腐蚀性[6]。相比之下，低温氮化被证明可以在保持良好耐腐蚀性能的同时提高表面硬度[7]。先前的研究表明，高频感应淬火可以细化表面微观结构并减少铬耗尽区域的形成，从而改善其电化学腐蚀性能[8]。此外，适当的低温回火处理可以进一步优化微观结构和电化学稳定性，适宜的回火温度下可观察到更优的电化学稳定性[9]。这些研究表明，高频感应淬火与优化回火结合使用，在实现机械强化与电化学性能平衡方面具有巨大潜力。

除了相变强化外，包括激光冲击喷丸（LSP）、超声波冲击喷丸（USP）和超声波表面滚压工艺（USRP）在内的应变诱导强化技术也引起了广泛关注，因为它们能够引入严重的塑性变形、细化表面微观结构并产生有益的压缩残余应力[10]。通过高压扭转、等通道角压和冷轧-退火等严重塑性变形技术也可以实现晶粒细化[11]。晶粒细化和变形诱导的缺陷可以通过影响扩散途径、表面反应性及局部电化学特性来改变钝化膜的形成行为，进而影响不锈钢的电化学腐蚀性能[12]、[13]。在这些技术中，LSP具有独特优势，包括非接触式加工、高能量密度、深层压缩残余应力生成以及对复杂形状部件的优异适应性，使其特别适合用于涡轮叶片材料的表面强化[14]、[15]。

尽管高频感应淬火和回火（HT）以及LSP各自都显示出了改善马氏体不锈钢表面性能的潜力，但它们的联合效应及其背后的协同机制仍不够明确。尤其是HT诱导的马氏体细化、LSP诱导的严重塑性变形、纳米晶表面层的形成、压缩残余应力的生成、钝化膜演变以及电化学响应之间的相互作用尚不完全清楚。因此，本研究提出了一种针对14Cr12Ni3Mo2VN马氏体不锈钢的HT-LSP复合表面改性策略。制备了包括淬火回火（QT）处理组、HT处理组、LSP处理组及HT-LSP复合处理组在内的四组试样，并进行了系统研究。通过结合微观结构表征、残余应力评估、电化学测量和X射线光电子能谱（XPS）分析，揭示了微观结构演变、残余应力状态、钝化膜特性与腐蚀行为之间的关系。这些发现为开发多功能表面强化策略以提升马氏体不锈钢组件在恶劣服役环境下的电化学腐蚀性能和表面耐久性提供了基础性见解。

章节摘录

材料

本研究采用的材料是14Cr12Ni3Mo2VN马氏体不锈钢，其化学成分符合GB/T 8732–2014标准的要求。测得的化学成分见表1，铬含量为11.55 wt%。该钢材首先在1010°C下奥氏体化40分钟，然后进行油淬处理，随后在590°C下回火120分钟，得到QT处理状态。

实验设计

基于QT处理状态，制备了四组试样，分别为QT组、HT组、LSP组和HT-LSP组

电子背散射（EBSD）分析

由于HT-LSP处理组经历了连续的QT、HT和LSP处理，其微观结构融合了HT和LSP带来的特性，因此被选为详细微观结构分析的对象。如图5(a)所示，LSP处理后近表面区域形成了一层厚度约为5 μm的纳米晶表面层。该层由晶体取向随机分布的超细等轴晶粒组成

HT改善电化学腐蚀行为的机制

马氏体不锈钢的电化学腐蚀性能从根本上受到材料表面形成的钝化膜的稳定性和再钝化能力的控制。致密、均匀且稳定的钝化膜可以有效隔离基体与腐蚀性物质，从而抑制腐蚀的起始和扩展。作为典型的相变强化工艺，HT不仅改善了马氏体不锈钢的机械性能

结论

为了阐明HT-LSP复合表面改性对14Cr12Ni3Mo2VN马氏体不锈钢电化学腐蚀性能改善的协同机制，进行了微观结构表征、残余应力分析、电化学测试和XPS分析。主要结论如下：

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  HT-LSP复合表面改性处理在各研究条件下表现出最佳的电化学腐蚀性能。

CRediT作者贡献声明

高嘉顺：撰写——审阅与编辑、原始稿撰写、数据可视化、项目管理、方法论设计、实验实施、数据分析、概念化。徐志龙：监督、资源协调、资金募集。叶月英：方法论设计。刘丽华：数据管理。朱江：数据可视化。胡志杰：数据分析验证。林宏欣：撰写——审阅与编辑。

知情同意声明

不适用。

机构审查委员会声明

不适用。

资助

本研究获得了以下机构的支持：中国国家自然科学基金 [项目编号：52475459],中国福建省海洋设备抗疲劳制造工程技术中心 [项目编号：Z823291],福建省科学技术项目 [项目编号：2025J01406, 2022HZ024009, 2021HZ024006],中国福建省长寿命抗疲劳连接销制造技术研究项目 [项目编号：2024350204006292],以及失效机制研究项目

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的报告内容。

高嘉顺|徐志龙|叶月英|刘丽华|朱江|胡志杰|林宏欣厦门海洋职业学院海洋机电学院，福建省厦门市，361000