激光喷丸诱导的长程成分梯度Al-1.5%Mn合金及其腐蚀行为
批准号：
52101115
项目类别：
青年科学基金项目（C类）
资助金额：
30.0 万元
负责人：
孙擎擎
依托单位：
学科分类：
金属材料使役行为与表面工程
结题年份：
2024
批准年份：
2021
项目状态：
已结题
项目参与者：
孙擎擎
项目摘要
结项摘要
相似基金
相关文献
中文摘要
合金梯度化是解决强韧-耐蚀性能倒置关系的新途径，对进一步提升铝合金的综合性能具有重要意义。激光喷丸是一种新型表面改性技术，可以实现铝合金表层组织梯度化，但目前比较缺乏对表层化学成分梯度的研究。本项目拟采用激光喷丸+扩散处理，制备兼具组织和长程成分梯度的纳米Al-1.5%Mn合金，重点研究该长程成分梯度形成的热力学机制及其对合金腐蚀性能的影响。通过定量表征激光喷丸Al-1.5%Mn合金不同深度区域的空位浓度、应变能和晶界能，计算合金的Gibbs自由能变化的梯度，揭示长程成分梯度形成的热力学机制；采用控制变量法和多尺度腐蚀表征技术，阐明长程成分梯度对Al-1.5%Mn合金腐蚀性能的影响机制，确定影响合金腐蚀性能的决定性因素。本项目的顺利实施，不仅有助于深入理解长程成分梯度的热力学成因及其腐蚀影响机制，而且有望为突破3000系铝合金的强度-耐蚀性能倒置关系提供新思路。
英文摘要
Forming alloy gradient is a novel way that may overcome the trade-off between mechanical and corrosion properties, which is very important for the development of next-generation Al alloys with exceptional comprehensive performances. Laser shock peening is a well-known technique to induce microstructure gradient near the alloy surface, however, research on composition gradient of laser shock peened alloy is quite lacking. In this proposal, we aim to fabricate Al-1.5% Mn alloy with both microstructure and long-range composition gradients by combining laser shock peening and diffusion treatment. The thermodynamic driving force of this long-range composition gradient and its influence on corrosion property will be studied. Gibbs free energy gradient of laser shock peened Al-1.5%Mn will be determined after determining the vacancy concentration, strain energy and grain boundary energy at different depths. In addition, by using variable-controlling method and multi-scale corrosion characterization techniques, the influence of long-range composition gradient on peened Al-1.5%Mn alloy and the determining factor on corrosion performance of alloy will be unfolded. We would like to emphasize that this project not only can deepen our fundamental understanding on the driving force and corrosion effect of long-range composition gradient induced by surface severe plastic deformation, but also can light a new path for solving the contradictory between strength and corrosion of 3000 series Al alloys.
铝合金由于具有比强度高、易钝化、机械成型性好等优点，被广泛应用于建筑、汽车和航空等领域。发展轻质高强耐蚀铝合金，对我国的国民经济和国防建设具有重要意义。需要指出的是，铝合金性能如强度、韧性和耐蚀性能之间往往存在倒置关系，是严重制约铝合金发展的瓶颈。譬如，基于固溶强化机制通过提高Mn含量可提升3000系铝合金的强度，但同时导致耐腐蚀性能的下降。解决该瓶颈的一个思路是向自然界学习，即学习生物材料的结构梯度化。表面剧烈塑性变形（Surface severe plastic deformation, S2PD）是金属材料梯度化的重要方法。本项目以Al-1.5%Mn过饱和固溶体为研究对象，通过喷丸+扩散处理，制备表面光洁度高且兼具组织与成分梯度的纳米Al-1.5%Mn合金，重点研究梯度结构的强韧化机制及其对合金腐蚀性能的影响机制。首先基于喷丸技术制备了表层组织纳米化的Al-1.5%Mn合金，建立适合低强度低熔点材料的制备参数。定量化表征了喷丸Al-1.5%Mn合金的微观组织结构如晶粒尺寸、位错密度、微观织构等，揭示了Al-1.5%Mn梯度纳米组织的形成机制。其次，研究了梯度结构Al-1.5%Mn的力学行为，获得了强塑匹配的喷丸优化参数，并进行了强韧化机理的分析。此外，研究了梯度结构Al-1.5%Mn的腐蚀行为，并基于控制变量法分别研究了残余应力和梯度组织对腐蚀行为的影响，明确了影响腐蚀的决定性因素是梯度组织而非残余应力。最终，获得了兼具更高强度和更高耐蚀性能的铝合金。具体结论如下：（1）经过喷丸处理后，Al-1.5%Mn合金的屈服强度提升了124%，延伸率仅下降5%，表明具备强度与塑性之间的协同效应。这种效应主要源于梯度结构引发的较高应变硬化率以及对几何必要位错的高储存能力。（2）经过喷丸处理后，浸泡腐蚀结果显示点蚀现象明显减轻，电荷转移电阻增加了28.2%。该合金的耐腐蚀性提高主要得益于晶粒细化以及Al6Mn析出相的溶解。本研究系统分析了喷丸处理后梯度结构对Al-1.5%Mn合金微观组织、力学性能及腐蚀行为的影响，为梯度结构设计在工业铝合金中的应用提供科学依据和技术支持。
国内基金
海外基金