付天琳，安楠楠，王康，張乾，陳飛帆，許志華

表面梯度納米晶結(jié)構(gòu)對(duì)06Cr19Ni10鋼抗空蝕性能的影響

付天琳，安楠楠，王康，張乾，陳飛帆，許志華

（美的集團(tuán) 生活電器事業(yè)部 研究院，廣東 佛山 528000）

對(duì)06Cr19Ni10鋼進(jìn)行表面劇烈塑性變形處理，利用獲得的表面梯度納米晶結(jié)構(gòu)提高其抗空蝕性能。采用高能噴丸法，在0.3～0.6 MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)噴丸壓力，獲得不同組織結(jié)構(gòu)的梯度納米晶結(jié)構(gòu)。使用光學(xué)顯微鏡、透射電鏡、X射線衍射儀和顯微硬度計(jì)對(duì)梯度納米晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行形貌、物相分析及截面硬度分析，使用電化學(xué)工作站和自制的空蝕檢測(cè)儀對(duì)梯度納米晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗腐蝕性能及抗空蝕性能檢測(cè)。截面金相表明，通過(guò)調(diào)節(jié)噴丸壓力，可以在06Cr19Ni10鋼表面形成一層厚度為50～100 μm的梯度納米晶結(jié)構(gòu)。XRD結(jié)果顯示，噴丸處理可以使（111）、（200）、（220）、（311）、（222）晶向的衍射峰明顯寬化。通過(guò)Voigt函數(shù)法計(jì)算可知，梯度納米晶結(jié)構(gòu)的頂層晶粒尺寸為32～87 nm，表面硬度由180HV0.05提高至360～525HV0.05。此外，噴丸處理可以提高06Cr19Ni10鋼的自腐蝕電位至?0.385 V（vs. SCE），降低其自腐蝕電流密度至3.512 μA/cm2，明顯延長(zhǎng)其空蝕孕育期，最大抗空蝕系數(shù)約為未處理試樣的12.92倍。梯度納米晶結(jié)構(gòu)可以全面提高06Cr19Ni10鋼的表面特性，顯著提高其抗空蝕性能。

06Cr19Ni10鋼；噴丸；梯度納米晶結(jié)構(gòu)；表面特性；空蝕

超聲波是一種彈性機(jī)械振動(dòng)波，其在介質(zhì)中傳播時(shí)，存在膨脹和壓縮的過(guò)程。如果超聲波能量足夠強(qiáng)，膨脹過(guò)程會(huì)在液體中生成氣泡或?qū)⒁后w撕裂成很小的空穴，這些氣泡的瞬間閉合會(huì)產(chǎn)生極高的溫度、極高的瞬時(shí)壓強(qiáng)（瞬時(shí)壓強(qiáng)可高達(dá)GPa）和極快的微射流（速度高達(dá)600 m/s），即空化效應(yīng)[1-2]。因?yàn)榭栈?yīng)及伴隨著機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等現(xiàn)象，超聲波被廣泛地應(yīng)用在超聲清洗、有機(jī)物降解/催化、目標(biāo)成分萃取、殺菌消毒等領(lǐng)域[3-4]。但是，由于空泡潰滅產(chǎn)生的能量會(huì)不斷沖擊材料表面，在材料表面誘發(fā)裂紋，發(fā)生疲勞脫落，最終造成零件破壞失效，即空蝕現(xiàn)象[5]?？瘴g問(wèn)題一直是一個(gè)十分復(fù)雜且難以解決的問(wèn)題，和材料的力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)都有很大關(guān)系[6-7]。

Thapliyal等[8]通過(guò)攪拌摩擦工藝在鎳鋁青銅表面形成了一層最小晶粒尺寸為14.82 μm的細(xì)晶均質(zhì)層，因空蝕導(dǎo)致的質(zhì)量損失比未處理試樣降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)。Sun等[9]對(duì)NAB使用電脈沖超聲波表面軋制，細(xì)化其表面晶粒，并在其表面生成了一層厚度約為1 000 μm的梯度變形層，將材料表面硬度由160HV提高至267HV，處理后試樣的空蝕質(zhì)量損失為未處理試樣的1/2。Tang等[10]通過(guò)激光熔凝的手段在鎂鎳鋁青銅表面形成了平均晶粒尺寸為4.2 μm的單相均質(zhì)結(jié)構(gòu)，其空蝕率僅為未處理材料的1/5。以上研究表明，通過(guò)細(xì)化材料組織結(jié)構(gòu)，可以明顯提高材料的空蝕抗性。

大量研究表明，通過(guò)控制塑性變形條件，利用變形使位錯(cuò)大量增殖、交割，可以將晶粒逐步細(xì)化至納米級(jí)，最終形成表面為納米結(jié)構(gòu)，芯部為粗晶結(jié)構(gòu)，這兩部分之間結(jié)構(gòu)單元尺寸呈梯度連續(xù)變化的梯度納米晶結(jié)構(gòu)[11]。該結(jié)構(gòu)可以使具有不同特征尺寸的結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)，最終顯著優(yōu)化和提高材料的整體性能和服役行為[12]。因此，在材料表面生成梯度納米晶結(jié)構(gòu)有望提高材料的空蝕抗性。

06Cr19Ni10鋼因其公認(rèn)的食品級(jí)特性，優(yōu)良的抗腐蝕能力，是超聲波系統(tǒng)的首選材料[13]。因此，研究其在液體介質(zhì)中的空蝕行為和提高其空蝕抗性具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。06Cr19Ni10鋼梯度納米晶結(jié)構(gòu)的制備、成形機(jī)理及其對(duì)表面力學(xué)性能、腐蝕抗性等方面的研究已經(jīng)很多[14-15]，但梯度納米晶結(jié)構(gòu)對(duì)金屬材料的抗空蝕性能影響的研究則非常有限，有許多亟待解決的工藝問(wèn)題和科學(xué)問(wèn)題。高能噴丸法是常規(guī)的表面劇烈塑性變形處理工藝之一，其利用高速運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)球?qū)饘俦砻孢M(jìn)行反復(fù)沖擊，最終在表面產(chǎn)生塑性循環(huán)應(yīng)變層[16]。本研究以06Cr19Ni10鋼作為研究材料，利用高能噴丸法，通過(guò)調(diào)節(jié)噴丸壓力，在06Cr19Ni10鋼表層形成不同微觀組織結(jié)構(gòu)的梯度納米晶結(jié)構(gòu)，研究噴丸參數(shù)對(duì)06Cr19Ni10鋼表面特性的影響，及梯度納米晶結(jié)構(gòu)對(duì)空蝕抗性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

本研究使用的材料為06Cr19Ni10鋼，其成分如表1所示。

表1 06Cr19Ni10鋼的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of 06Cr19Ni10 steel　wt.%

使用HDX-1400型箱式電阻爐（宏達(dá)爐業(yè)有限公司，洛陽(yáng)，中國(guó)），在空氣中1 150 ℃下，保溫30 min，然后水冷，消除原始材料固溶處理不當(dāng)產(chǎn)生的影響，最終獲得平均晶粒尺寸約為40 μm的組織結(jié)構(gòu)，如圖1a所示。然后將原始棒材機(jī)加工成超聲波變幅桿，如圖1b所示。

圖1 試樣的微觀金相組織及宏觀結(jié)構(gòu)

Fig.1Microstructure and macrostructure of sample: a) microstructure; b) macrostructure

1.2 表面噴丸處理

使用AMS-1212P型氣動(dòng)式噴丸機(jī)（博爾愛(ài)噴砂設(shè)備有限公司，東莞，中國(guó)）對(duì)變幅桿工具頭上表面進(jìn)行噴丸處理。其中，噴嘴與變幅桿頂端的距離為200 mm，噴丸時(shí)間為4 min，介質(zhì)球?yàn)橹睆?.5 mm的不銹鋼圓球，噴丸壓力依次為0.3、0.4、0.5、0.6 MPa。為了方便分析，將未處理試樣編號(hào)為UT，將噴丸處理試樣編號(hào)依次為0.3 MPa-4 min、0.4 MPa- 4 min、0.5 MPa-4 min、0.6 MPa-4 min。

1.3 表面特性檢測(cè)

使用線切割將不同處理時(shí)間的變幅桿工具頭進(jìn)行截面切割，依次使用180#—1200#砂紙進(jìn)行機(jī)械打磨，然后用1.5w金剛石研磨膏進(jìn)行拋光，最后選用鹽酸、硝酸、去離子水的混合溶液（體積比為3∶1∶1）對(duì)試樣進(jìn)行金相腐蝕處理。采用DMI 5000M型光學(xué)顯微鏡（徠卡公司，韋茲特拉爾，德國(guó)）對(duì)試樣的截面組織進(jìn)行表征。本試驗(yàn)采用JEM-2100場(chǎng)發(fā)射高分辨透射電子顯微鏡（日本電子株式會(huì)社，東京，日本），對(duì)噴丸態(tài)試樣的表面微觀形貌進(jìn)行分析，同時(shí)進(jìn)行選區(qū)電子衍射花樣分析，工作電壓為200 kV。

使用PHILIPS X’ pert MPD Pro型X射線衍射儀（荷蘭皇家飛利浦公司，阿姆斯特丹，荷蘭），采用Cu-Kα輻射（=0.154 06 μm），管加速電壓為45 kV，管電流為45 mA，掃描速度為2 (°)/min，掃描步長(zhǎng)為0.02°，掃描角度為40°～100°，對(duì)試樣進(jìn)行XRD物相分析。運(yùn)用X’ pert High Score Plus軟件以及Voigt函數(shù)擬合線形對(duì)06Cr19Ni10鋼噴丸組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性和定量分析。

使用陽(yáng)極為Al靶（=1 486.6 eV）的多功能掃描成像光電子能譜（PHI5000 Versaprobe-II，Ulvac- PHI公司，日本），運(yùn)行電位和功率分別為15 kV和50 W，Pass energy過(guò)能為46.95 eV。為了分析垂直于氧化膜方向上的元素組成以及其價(jià)態(tài)變化，使用Ar+束對(duì)表層氧化膜4 mm×4 mm的區(qū)域進(jìn)行濺射處理。

1.4 表面力學(xué)特性檢測(cè)

使用HV-1000型顯微硬度計(jì)（立豐精密測(cè)量?jī)x器有限公司，中山，中國(guó)）對(duì)截面由表及里進(jìn)行顯微硬度表征，試驗(yàn)載荷為500 g，加載時(shí)間為15 s，深度測(cè)試5次，然后取平均值。

1.5 腐蝕性能檢測(cè)

使用AutoLabPGSTAT30型電化學(xué)工作站（瑞士萬(wàn)通有限公司，黑里紹，瑞士）三電極系統(tǒng)測(cè)量試樣的腐蝕抗性。工作電極為試樣，參比電極為飽和甘汞（SCE），輔助電極為鉑片。對(duì)未處理、不同噴丸壓力后的試樣進(jìn)行動(dòng)點(diǎn)位極化曲線檢測(cè)，腐蝕介質(zhì)選用27 ℃的3.5% NaCl溶液，掃描速率為10 mV/s，掃描區(qū)間為?1～0.5 V（vs. SCE）。

1.6 空蝕抗性檢測(cè)

空蝕抗性研究采用自制的空蝕檢測(cè)儀，主要由外殼罩、電解液、試驗(yàn)試樣、壓電陶瓷、控制電路板組成，如圖2所示。工作電壓為220 V，頻率為49.5 kHz，功率為60 W，振幅為50 μm，工作溫度為27 ℃，腐蝕介質(zhì)為3.5% NaCl溶液。試驗(yàn)過(guò)程參考ASTM G32-03空蝕標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[17]。每隔2 h，取出試樣清洗、干燥和稱量，記錄試樣在空蝕過(guò)程中的質(zhì)量損失，測(cè)試總時(shí)長(zhǎng)為40 h，得出試樣在空蝕過(guò)程中的累積失重曲線。

圖2 自制的空蝕檢測(cè)儀

2 結(jié)果與討論

2.1 表面組織特性

噴丸時(shí)間為4 min，噴丸壓力分別為0.3、0.4、0.5、0.6 MPa的06Cr19Ni10鋼試樣的截面金相組織見(jiàn)圖3。由圖3a可知，經(jīng)過(guò)0.3 MPa-4 min噴丸處理后，06Cr19Ni10鋼表面形成了一層厚度約為50 μm的變形層，并且隨著距離表面越近，變形程度越大，靠近基體部分有大量的孿晶；進(jìn)一步提高噴丸壓力，塑性變形程度進(jìn)一步加劇，變形層厚度增加，頂層出現(xiàn)約40 μm厚的細(xì)晶層，細(xì)晶層下方有約60 μm厚的變形層，如圖3b所示。當(dāng)噴丸壓力提高至0.5 MPa時(shí)，細(xì)晶層厚度進(jìn)一步增加，達(dá)到約70 μm，如圖3c所示。繼續(xù)提高噴丸壓力到0.6 MPa時(shí)，試樣細(xì)晶層和變形層的發(fā)育程度趨近飽和，且厚度穩(wěn)定在150 μm左右，如圖3d所示。

圖3 不同壓力下試樣的截面金相組織

圖4為未處理及不同噴丸壓力下試樣的XRD圖譜，從中可以看出，未噴丸處理固溶態(tài)試樣為單相奧氏體組織。經(jīng)過(guò)不同噴丸壓力處理后，（111）、（200）、（220）、（311）、（222）晶向的衍射峰半高寬變寬，說(shuō)明經(jīng)過(guò)處理后的頂層晶粒組織顯著細(xì)化。同時(shí)出現(xiàn)了（110）、（131）、（211）3個(gè)α?′馬氏體衍射峰，說(shuō)明經(jīng)過(guò)劇烈塑性變形處理，試樣表面發(fā)生了應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變。有研究表明，劇烈變形引起的堆垛層錯(cuò)能量會(huì)導(dǎo)致馬氏體相變[18-19]。采用直接比較法定量計(jì)算試樣表面馬氏體含量，馬氏體含量隨噴丸壓力的增大而逐漸增加，0.5 MPa下噴丸處理的馬氏體含量達(dá)到23%左右，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖4 未處理及不同噴丸壓力下試樣的XRD圖譜

表2 不同噴丸壓力下試樣表面的馬氏體含量及頂層晶粒尺寸

Tab.2 Content of strain-induced martensite and average grain size of the specimen surface under different shot pressure

為了通過(guò)衍射峰寬化程度計(jì)算晶粒尺寸，將未處理試樣作為標(biāo)樣，根據(jù)標(biāo)樣衍射峰的寬化，扣除儀器寬化效應(yīng)。然后根據(jù)Voigt函數(shù)法[20]，以（111）、（200）、（220）衍射峰的半高寬近似計(jì)算頂層晶粒尺寸，計(jì)算結(jié)果如表2所示，結(jié)果顯示，在4 min處理時(shí)間下，當(dāng)噴丸壓力為0.3 MPa時(shí)，可以將表面晶粒細(xì)化至約87 nm；噴丸壓力為0.4 MPa時(shí)，表面晶粒尺寸為57 nm左右；進(jìn)一步提高噴丸壓力至0.5 MPa時(shí)，可以繼續(xù)細(xì)化晶粒至約34 nm；繼續(xù)提高噴丸壓力至0.6 MPa時(shí)，頂層晶粒尺寸約為32 nm，說(shuō)明此時(shí)的細(xì)化效果達(dá)到飽和，進(jìn)一步提高壓力對(duì)頂層晶粒的細(xì)化效果不明顯。

圖5是0.5 MPa-4 min試樣表面顯微組織不同深度下的TEM圖，結(jié)果顯示，在距離表面20 μm處，應(yīng)變量和應(yīng)變速率最大，晶粒細(xì)化成隨機(jī)取向、尺寸均勻的等軸納米晶。圖5b表明，該處的晶粒尺寸為50～100 nm。圖5c是距離表面100 μm處的TEM形貌，應(yīng)力應(yīng)變中等，位錯(cuò)塞積達(dá)到了機(jī)械孿生變形所需的臨界切應(yīng)力時(shí)，便產(chǎn)生沿某個(gè)方向剪切的單系孿晶，該孿晶寬度為30～40 nm、間距為500～700 nm。圖5d是距離表面300 μm處的TEM形貌，應(yīng)力應(yīng)變較小，初始粗大奧氏體晶粒內(nèi)形成了大量的滑移帶和位錯(cuò)塞積?；茙捈s為50～200 nm，彼此之間互相平行，間距為200～300 nm。

圖5 0.5 MPa-4 min試樣的TEM微觀組織

2.2 表面力學(xué)性能

圖6為未處理及不同噴丸壓力處理下06Cr19Ni10鋼表面變形層顯微硬度在深度方向上的變化?？梢钥闯觯刺幚砬霸嚇拥娘@微硬度約為180HV0.05。通過(guò)顯微硬度縱向分布曲線可以判斷出，經(jīng)過(guò)4 min、0.3 MPa噴丸處理后，表面顯微硬度達(dá)到約360HV0.05，距離表面越遠(yuǎn)，顯微硬度越低。繼續(xù)提高噴丸壓力，頂層顯微硬度提高至443HV0.05；當(dāng)提高噴丸壓力至0.5 MPa時(shí)，頂層顯微硬度達(dá)到497HV0.05，且在相同深度處，隨噴丸壓力的提高，顯微硬度也相應(yīng)提高；當(dāng)噴丸壓力達(dá)到0.6 MPa后，頂層細(xì)晶層的顯微硬度達(dá)到525HV0.05。根據(jù)目前相關(guān)行業(yè)參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)硬度比試樣基體硬度提高100HV0.05以上時(shí)判定為噴丸層。因此，結(jié)合金相圖及截面顯微硬度分布，當(dāng)變形層達(dá)到飽和時(shí)，其厚度約為230 μm。

金屬材料的變形機(jī)制主要由材料本身的層錯(cuò)能和晶體結(jié)構(gòu)決定[21]。06Cr19Ni10鋼是面心立方結(jié)構(gòu)，其層錯(cuò)能較低（約18 mJ/m2）[22]，當(dāng)其表面受到劇烈塑性變形處理后，高密度的變形孿晶將晶粒切割成大角度晶界的細(xì)晶粒[14,22]。表面噴丸處理使06Cr19Ni10鋼表層在彈丸沖擊下發(fā)生塑性變形，隨著噴丸壓力的增加，應(yīng)力應(yīng)變程度增大，表層晶粒更加細(xì)化，晶格畸變、應(yīng)變誘發(fā)馬氏體含量以及位錯(cuò)密度都會(huì)增加。Shakhova等[23]認(rèn)為，金屬材料的顯微硬度與其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。晶粒尺寸越小，材料硬度越高；位錯(cuò)密度增加，使得位錯(cuò)間的相互作用需要更大的外力，也會(huì)提高材料的硬度。應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相的硬度高于奧氏體相，導(dǎo)致材料的硬度進(jìn)一步增加。上述因素綜合作用導(dǎo)致表層硬度大幅提高。

圖6 未處理及不同噴丸壓力下變形層的顯微硬度沿縱向的分布

2.3 腐蝕抗性測(cè)量

使用動(dòng)電位極化曲線研究噴丸處理對(duì)06Cr19Ni10鋼耐蝕性能的影響。圖7是未處理及不同噴丸壓力下試樣在3.5% NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線。

圖7 未處理及不同噴丸壓力下試樣在3.5% NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線

通過(guò)動(dòng)電位極化曲線，利用Tafel外推法，獲得各個(gè)試樣在3.5% NaCl溶液中的自腐蝕電位（corr）和自腐蝕電流密度（corr），結(jié)果顯示，當(dāng)噴丸壓力逐步提高至0.5 MPa時(shí)，噴丸處理可以提高材料的corr，降低corr；進(jìn)一步提高噴丸壓力至0.6 MPa，corr降低，corr提高，如表3所示。由于corr反映了材料腐蝕傾向的大小，其數(shù)值越大說(shuō)明材料越不容易被腐蝕[24]。corr反映了腐蝕速率的快慢，corr的數(shù)值越大，電化學(xué)腐蝕速度越大[25]。綜上所述，在一定范圍內(nèi)提高材料的噴丸壓力，可以提高06Cr19Ni10鋼的腐蝕抗性。進(jìn)一步提高噴丸壓力，導(dǎo)致表面粗糙度提高，這對(duì)材料的腐蝕抗性起到了負(fù)面影響[26]。奧氏體不銹鋼之所以有優(yōu)良的耐腐蝕性能，是由于其表面的Cr元素會(huì)自發(fā)地和空氣中的O元素發(fā)生反應(yīng)，生成一層厚度為2～3 nm的Cr2O3薄膜，起到增強(qiáng)腐蝕防護(hù)的作用[27]。

表3 未處理及不同噴丸壓力下試樣在3.5% NaCl溶液中的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度

Tab.3 Ecorr and jcorr of untreated sample and samples under different shot peening pressures in 3.5wt.% NaCl solution

使用XPS深度濺射技術(shù)，探討不同試樣O元素在表面氧化層的縱向分布，結(jié)果如圖8所示。研究表明[28]，氧化膜厚度為氧原子濃度下降到其最大值的50%處的深度。本研究中，氧化膜厚度為O元素含量下降至最大值的約37%位置處。由此可知，未處理試樣氧化膜厚度大約為5 nm，而不同參數(shù)下氧化膜的厚度分別為80、115、140、160 nm。金屬表面的擴(kuò)散激活能最小，其次是晶界的擴(kuò)散激活能，再次是位錯(cuò)擴(kuò)散激活能，最后是體擴(kuò)散激活能，因此固體金屬中原子的表面、晶界和位錯(cuò)擴(kuò)散通常稱其為短路擴(kuò)散，其擴(kuò)散速度比體擴(kuò)散速度快[29]。噴丸處理可以在06Cr19Ni10鋼表面引入大量的滑移帶、位錯(cuò)、孿晶及細(xì)晶粒，在一定深度內(nèi)提供了Cr元素的短路擴(kuò)散通道，有助于形成更加致密的鈍化膜，使其腐蝕抗性得到提高[30-31]。

圖8 O元素縱向分布圖

2.4 空蝕抗性分析

圖9是未處理及不同噴丸壓力下試樣在3.5% NaCl溶液中的空蝕累積失重曲線。從圖9中可以看出，未處理試樣在空蝕3 h前幾乎沒(méi)有質(zhì)量損失，隨后質(zhì)量損失快速增加。而噴丸試樣在空蝕處理20 h后，質(zhì)量損失才開(kāi)始逐步增加。對(duì)于大部分材料，空蝕過(guò)程分為孕育期、上升期、穩(wěn)定期和衰減期4個(gè)階段[32]。其中，在孕育期材料表面雖然產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，但材料沒(méi)有空蝕量或空蝕量很少[33]。由此可見(jiàn)，未處理試樣的孕育期約為3 h，噴丸試樣的孕育期約為20 h，噴丸處理可以顯著提高06Cr19Ni10鋼的孕育期時(shí)間。

UT、0.3 MPa-4 min、0.4 MPa-4 min、0.5 MPa- 4 min、0.6 MPa-4 min在40 h的空蝕量分別為26、5.8、4.9、1.9、8.1 mg。圖10是未處理、0.5 MPa-4 min及0.6 MPa-4min試樣在3.5% NaCl溶液中空蝕40 h后的表面微觀形貌，在40 h空蝕處理后，未處理試樣表面存在大量的深度不一的空蝕坑及空蝕裂紋，而0.5 MPa-4 min試樣表面很難發(fā)現(xiàn)空蝕坑，這也進(jìn)一步說(shuō)明噴丸處理可以提高材料的抗空蝕性能。0.6 MPa- 4 min試樣表面存在一定的空蝕坑，這是由于進(jìn)一步提高噴丸壓力，導(dǎo)致表面粗糙度提高，對(duì)空蝕抗性起到負(fù)面影響。

圖9 未處理及不同噴丸壓力下試樣在3.5% NaCl溶液中的空蝕量

圖10 在3.5%NaCl 溶液中空蝕40 h 后的表面微觀形貌

當(dāng)液體中的小氣泡運(yùn)動(dòng)到壓力高于氣泡內(nèi)壓的區(qū)域，這些氣泡就會(huì)發(fā)生潰滅，并同時(shí)產(chǎn)生巨大的沖擊波及高溫。由于沖擊波在理論上可高達(dá)幾千標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，高的壓力沖擊會(huì)使金屬表面氧化膜破裂，并使零件表面的材料產(chǎn)生疲勞脫落，形成空蝕坑，并隨后逐步擴(kuò)展形成大的空蝕坑，由此導(dǎo)致材料表面被破壞。表面梯度納米晶結(jié)構(gòu)有利于提高06Cr19Ni10鋼表面的空蝕抗性，可能有如下幾個(gè)原因：第一，細(xì)化晶粒后在一定程度上提高材料的強(qiáng)度、硬度和塑性等力學(xué)性能；第二，材料表面受到?jīng)_擊時(shí)，同樣的形變量可能在更多的晶粒中發(fā)生，產(chǎn)生較為均勻的變形，避免因局部應(yīng)力集中而引起裂紋過(guò)早的萌生和發(fā)展；第三，該結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷作用下，表層細(xì)晶結(jié)構(gòu)由于其高強(qiáng)度可有效抑制疲勞裂紋的萌生，而芯部的粗晶粒結(jié)構(gòu)由于其高塑性可阻礙裂紋擴(kuò)展；第四，噴丸處理促進(jìn)了在材料表面生成更加致密的氧化膜，提高了其腐蝕抗性，抑制了點(diǎn)蝕坑的形成。以上機(jī)制的共同作用可同時(shí)阻礙裂紋的萌生和擴(kuò)展。因此，表層梯度結(jié)構(gòu)能夠大幅度提高材料的抗空蝕性能。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)噴丸壓力提高至0.6 MPa時(shí)，試樣的腐蝕抗性及空蝕抗性都有所下降。這是由于材料的空蝕抗性對(duì)表面質(zhì)量非常敏感，針孔等表面缺陷極有可能導(dǎo)致裂紋萌生。大幅度塑性變形處理會(huì)增加材料表面粗糙度、在表面引入大量微裂紋。

3 結(jié)論

通過(guò)調(diào)節(jié)噴丸參數(shù)，可以在06Cr19Ni10鋼表面形成一層頂層晶粒尺寸約為35 nm、厚度約為100 μm、表面硬度約為525HV0.05的梯度納米晶結(jié)構(gòu)。此外，噴丸處理可以顯著提高06Cr19Ni10鋼在3.5% NaCl溶液中的腐蝕抗性，顯著降低空蝕累計(jì)質(zhì)量損失，最終顯著提高材料的抗空蝕性能。

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Effect of Surface Gradient Nanocrystalline Structure on the Cavitation Erosion Resistance of 06Cr19Ni10 Steel

,,,,,

(Research Institute of Household Appliance Division, Midea Group, Guangdong Foshan 528000, China)

By performing severe plastic deformation treatment, surface gradient nanocrystalline structure can be obtained on the surface of 06Cr19Ni10 and consequently, its cavitation resistance can be imporved. In this research, the high-energy shot peening method was used. Gradient nanocrystalline structures with different tissue structures were obtained by adjusting the shot peening pressure within the range of 0.3～0.6 MPa. Optical microscope, X-ray diffractometer and microhardness tester were used to perform morphology, phase analysis and cross-section hardness analysis on the gradient nanocrystalline structures. In addition, electrochemical workstation and self-made cavitation tester were used to examine the corrosion resistance and cavitation resistance of gradient nanocrystalline structures. Results of the cross-section metallography showed that by adjusting the shot peening pressure, a layer of gradient nanocrystalline structure with thickness of 50～100 μm can be formed on the surface of 06Cr19Ni10; XRD results showed that shot peening can broaden (111), (200), (220), (311), (222) diffraction peaks of the crystal orientation. According to the calculation using Voigt function method, the grain size of the top layer of the gradient nanocrystalline structure was in the range of 32～87 nm and the surface hardness was increased from 180HV0.05 to 360～525HV0.05. In addition, shot peening can increase the self-corrosion potential of 06Cr19Ni10 to ?0.385 V (vs.SCE) and reduce its self-corrosion current density to 3.512 μA/cm2, thus, significantly extend its cavitation incubation period. The maximum cavitation corrosion resistance coefficient is approximately 12.92 times of that of the untreated sample. The gradient nanocrystalline structure can comprehensively improve the surface characteristics of 06Cr19Ni10, and ultimately improve its cavitation resistance performance.

06Cr19Ni10 steel; shot peening; gradient nanocrystalline structure; surface characteristic; cavitation corrosion

TH117.1

A

1001-3660(2022)04-0247-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.04.025

2020-11-10；

2021-10-15

2020-11-10；

2021-10-15

付天琳（1989—），男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧媳砻嫣幚砑案g抗性。

FU Tian-lin (1989—), Male, Ph. D., Engineer, Research focus: surface treatment and corrosion resistance of metal materials.

陳飛帆（1985—），男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)橛猩饘偌庸ぜ氨砻嫣幚怼?/p>

CHEN Fei-fan (1985—), Male, Ph. D., Engineer, Research focus: metal processing and surface treatment.

付天琳，安楠楠，王康，等. 表面梯度納米晶結(jié)構(gòu)對(duì)06Cr19Ni10鋼抗空蝕性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(4): 247-254.

FU Tian-lin, AN Nan-nan, WANG Kang, et al. Effect of Surface Gradient Nanocrystalline Structure on the Cavitation Erosion Resistance of 06Cr19Ni10 Steel[J]. Surface Technology, 2022, 51(4): 247-254.

責(zé)任編輯：萬(wàn)長(zhǎng)清