Роль градиентного нанозернистого поверхностного слоя в коррозионном поведении сплава алюминия 7075

npj Деградация материалов, том 6, номер статьи: 62 (2022 г.) Цитировать эту статью

1714 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Градиентные нанозернистые структуры стали многообещающим методом, позволяющим избежать компромисса между прочностью и пластичностью в металлах и сплавах. Поэтому в данной работе было исследовано влияние поверхностной механической обработки истиранием (SMAT) на микроструктуру и коррозионное поведение высокопрочного алюминиевого сплава. SMAT проводился при комнатной температуре и в условиях потока жидкого азота (LN2) для создания двух совершенно разных исходных градиентных микроструктур. Были проведены испытания на потенциодинамическую поляризацию, электрохимическую импедансную спектроскопию и межкристаллитную коррозию. Характеристика поверхностных пленок необработанных и обработанных образцов проводилась с использованием методов рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и времяпролетной масс-спектроскопии вторичных ионов. Результат показывает значительные микроструктурные изменения в образцах, обработанных SMAT, такие как образование осадков и растворение собственных фаз. Кроме того, для образцов, обработанных SMAT, наблюдалась пониженная скорость анодного растворения. Кроме того, характеристика поверхностной пленки выявила более толстую оксидную пленку с обогащением Cu и SiO2 в образцах SMAT.

Градиентная наноструктура (ГНС), класс гетероструктурных материалов, привлек значительное внимание в материальном сообществе благодаря своей способности достигать сочетания высокой прочности и пластичности без изменения общего состава сплава1,2,3,4. Эти свойства возникают в результате гетеродеформационного упрочнения и деформационного упрочнения за счет синергетического взаимодействия между твердыми и мягкими зонами5,6. Материалы GNS также продемонстрировали многообещающее улучшение поверхностно-чувствительных свойств, таких как усталость, износ, коррозионная усталость и коррозионное поведение материалов7,8,9,10. Даже несмотря на ряд преимуществ, применимость этих материалов не достигла своего полного потенциала из-за ограничений в обработке объемных образцов с контролируемой микроструктурой по механическим свойствам6,10,11.

Градиентная нанозеренная структура, как следует из названия, состоит из поверхностной структуры нанокристаллических зерен, величина которых постепенно увеличивается по мере удаления от поверхности. В частности, поверхностная нанокристаллизация (SNC) с нанозернами на поверхности может быть достигнута с помощью различных методов интенсивной пластической деформации, таких как поверхностная механическая обработка истиранием (SMAT)12, ультразвуковая дробеструйная обработка13, пескоструйная обработка14, лазерная ударная обработка (LSP)15 и быстрая несколько оборотов прокатки16. Среди них было доказано, что SMAT эффективен при создании зерен минимально возможного размера на свободной поверхности и заметного градиента в несколько сотен микрон вглубь образца. Этот градиент образуется в результате динамических воздействий по Герцу фрезерующих сред на свободную поверхность образца, которые вызывают в совокупности высокую величину деформации. Как правило, мелющие тела, используемые во время SMAT, имеют другой химический состав, чем основной образец, подлежащий обработке17. Физика и природа ударов повторяются миллионы раз, что открывает способ передачи материала. То есть повторяющиеся удары с высокой скоростью и локальное повышение температуры создают среду, в которой коэффициенты диффузии атомов и химическая реакционная способность повышаются, что облегчает создание сплавов на свободной поверхности образца. При правильном проектировании высокая реакционная способность поверхностного слоя и легкая диффузия легирующих элементов через границы нанозерен обеспечивают эффективный способ создания коррозионностойкого покрытия с благоприятной микроструктурой12,18. Например, температура, при которой проводится SMAT, коррелирует со степенью измельчения зерна на свободной поверхности, а также с глубиной образовавшегося градиента19,20,21,22,23. Это также оказалось верным в отношении степени загрязнения и его смешивания с основным материалом. В частности, SMAT при криогенной температуре показал более высокое уменьшение размера зерна в чистой меди из-за изменения основного режима деформации19. Помимо крио-SNC, сплавы, полученные с помощью других криогенных термомеханических процессов, таких как криопрокатка24 и криоэкструзия25, показали улучшенную прочность, а также пластичность по сравнению с их аналогами, обработанными при комнатной температуре. В основном обработка SMAT выполнялась в университетских условиях на небольших элементах упрощенной геометрии, таких как плоские пластины. Однако недавно модифицированные версии оборудования для обработки SMAT, использующие акустические вибрации вместо традиционного встряхивания изменений, позволяют применять SMAT к трубкам/цилиндрам и даже тонким проволокам9,26,27. В других вариантах технологического оборудования SMAT используются методы полировки, установленные на станках с числовым программным управлением, чтобы обеспечить еще большую гибкость, что потенциально позволяет обрабатывать детали на месте2,28,29. Хотя промышленные системы, такие как технология MELDTM30, были разработаны для решения более крупных и сложных задач, интеграция такой технологии в промышленное применение все еще находится на начальной стадии.