鈦合金因其良好的綜合性能，已經(jīng)被廣泛應用于航空航天、海洋、醫療等領(lǐng)域[1]。TC4 (Ti6Al4V)是一種 α+β 雙相鈦合金，含有 6% (質(zhì)量分數，下同)的 α 相穩定元素 Al 和 4% 的 β 相穩定元素 V[2]，約占目前所用鈦合金產(chǎn)品的 60%。目前，國內TC4鈦合金正在被研究用于汽輪機葉片，成為代替馬氏體耐熱不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼的材料[3]，期望減少末級葉片的腐蝕破壞問(wèn)題，延長(cháng)壽命。但鈦合金表面也存在硬度低、耐磨性及高溫抗氧化性差等缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步應用。為了使鈦合金零部件能夠在復雜的環(huán)境下正常服役，采用表面改性處理來(lái)提高鈦合金的表面性能被越來(lái)越多的研究者所重視。其中，噴丸處理已成為T(mén)C4鈦合金結構件重要的表面處理方法[4]。
噴丸處理通過(guò)使高能量的彈丸不斷撞擊鈦合金表面，產(chǎn)生劇烈塑性變形，起伏程度增大，粗糙度發(fā)生變化，同時(shí)也引入了大量位錯和晶界，使鈦合金表面晶粒納米化[5]。由于沿晶界的擴散系數比在晶粒內和沿位錯管道的擴散系數大得多，因此晶界大大促進(jìn)了原子的擴散[6,7]，使表面鈍化膜快速形成，有利于耐蝕性的提高。但鈦合金的耐腐蝕性能還與表面狀態(tài)有關(guān)，噴丸處理造成的表面粗糙度過(guò)大以及噴丸過(guò)程中殘留在表面的彈丸碎屑都會(huì )使材料的耐蝕性能惡化[8]。
目前，對鈦合金進(jìn)行噴丸處理的研究更多集中于疲勞性能。李康等[9]研究了濕噴丸技術(shù)對TC4鈦合金疲勞壽命的影響。張聰惠等[10]通過(guò)超聲波噴丸處理提高了TC4鈦合金的疲勞極限。黃宇等[11]研究了深冷激光噴丸對 TC6 鈦合金振動(dòng)疲勞壽命的影響。Tan等[12]研究了TC17合金葉片在集成制造工藝條件下的表面完整性和疲勞性能。Soyama 等[13]通過(guò)空化噴丸、激光噴丸和顆粒噴丸對 Ti6Al4V 鈦合金處理的平面彎曲疲勞實(shí)驗 ，闡明了增材制造Ti6Al4V疲勞強度提高的機理。在利用噴丸處理改善鈦合金的耐蝕性方面，報道較少，特別是缺乏關(guān)于噴丸后表面狀態(tài)對鈦合金耐腐蝕性能影響的研究。
本工作分別采用鑄鋼丸噴丸、玻璃丸噴丸和鑄鋼丸與玻璃丸復合噴丸對TC4鈦合金表面進(jìn)行處理，通過(guò)在 3.5% (質(zhì)量分數) NaCl 溶液中的電化學(xué)實(shí)驗，探討了噴丸處理后表面狀態(tài)對TC4鈦合金的耐蝕性影響。
1、 實(shí)驗方法
試樣材料為T(mén)C4鈦合金 (Ti6Al4V)，主要化學(xué)成分 (質(zhì)量分數，%)：Al 6.24，V 4.01，Fe 0.20，Si 0.12，C 0.03，N 0.02，H 0.0021，O 0.14，Ti 余量。TC4鈦合金試樣的尺寸為15 mm×15 mm×10 mm，用SiC砂紙由粗到細打磨至 2000#后，用 1.5 μm 的金剛石拋光膏拋光，經(jīng)無(wú)水乙醇、去離子水去油、去污后，吹干待用。噴丸處理采用氣動(dòng)式噴丸機噴丸，噴丸介質(zhì)為鑄鋼丸，以及玻璃丸，覆蓋率均大于 100%。噴丸方式有鑄鋼丸噴丸處理 (CSSP)，玻璃丸噴丸處理(GSP)，以及鑄鋼丸與玻璃丸復合噴丸處理 (CSP)。
利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡 (FE-SEM，Thermo FisherAPREO) 觀(guān)察分析噴丸處理后的表面形貌，并用其配備的電子能譜儀 (EDS)，對噴丸處理前后的試樣表面進(jìn)行成分分析。
采用LEXT-OLS5000激光共聚焦顯微鏡(CLSM) 觀(guān)察分析噴丸處理前后TC4鈦合金的表面三維形貌、表面比表面積和粗糙度輪廓線(xiàn)，選取輪廓線(xiàn)各個(gè)點(diǎn)絕對值的算術(shù)平均值 Ra、均方根 Rq和剖面的平均最大高度Rz來(lái)表征TC4鈦合金表面粗糙度。
每個(gè)試樣選6個(gè)區域測試，然后取平均值，測量前用無(wú)水乙醇清洗試樣以去除表面污染。
利用 X 射線(xiàn)衍射儀 (XRD，Bruker D8 Advance)對噴丸后TC4鈦合金表面進(jìn)行物相成分分析，采用Cu 靶，Kα波長(cháng) 0.15418 nm，管電壓 40 kV，管電流為40 mA，2θ掃描角度范圍20°~80°，掃描步長(cháng)0.1°，每步停留0.15 s。
電化學(xué)測試采用 Zahner zennium 電化學(xué)工作站 ，所用電解質(zhì)為3.5%NaCl 溶 液 ，實(shí)驗溫度為23 ℃。測試采用三電極體系，飽和甘汞電極 (SCE)為參比電極，鉑片為輔助電極，硅膠封裝的TC4鈦合金為工作電極。
測試前TC4鈦合金先在 3.5%NaCl 溶液中浸泡2 h，待開(kāi)路電位穩定后進(jìn)行電化學(xué)測試。電化學(xué)阻抗譜 (EIS) 測試頻率范圍為105~10-2 Hz，交流擾動(dòng)電壓為10 mV，使用ZSimpWin軟件對數據進(jìn)行擬合分析。動(dòng)電位極化測試的電位掃描范圍為-0.5 (vs.OCP)~+2 V (vs.SCE)，掃速1 mV/s。在實(shí)驗選定的2種鈍化膜成膜電位下 (+1.1和+1.3 V) 下恒電位極化3 h 后，進(jìn)行 Mott-Schottky 測試，由高電位向低電位掃描 ，即測試區間從成膜電位掃描至-1.2 V (vs.SCE)，測試頻率為 1 kHz，步長(cháng)為 25 mV，交流信號為10 mV。
2、 結果與討論
2.1 表面形貌分析
圖1為T(mén)C4鈦合金拋光后的表面形貌?？梢钥闯?，噴丸前TC4鈦合金表面光滑平整，沒(méi)有缺陷。圖2a 和 b 為T(mén)C4鈦合金鑄鋼丸噴丸處理后的表面形貌?？梢钥吹?，高能量鑄鋼丸撞擊產(chǎn)生凹坑，但凹坑較淺，凹坑的周邊由于彈丸撞擊而有翹起的現象。
圖1 噴丸前TC4鈦合金表面形貌
Fig.1 Surface morphology of TC4 Ti-alloy before shot peening
圖2c和d與圖2e和f分別是玻璃丸噴丸和復合噴丸后的表面形貌，與鑄鋼丸噴丸相比，凹坑變小，但彈丸撞擊的凹坑密度明顯增大，試樣表面起伏比較大，出現許多翹起來(lái)的褶皺，甚至存在一定程度的起皮。
圖2TC4鈦合金經(jīng)鑄鋼丸噴丸、玻璃丸噴丸和復合噴丸處理后的表面形貌
Fig.2 SEM surface images of TC4 Ti-alloy with CSSP (a, b), GSP (c, d) and CSP (e, f) treated
這是因為玻璃丸在撞擊TC4鈦合金表面時(shí)，許多凹坑相互擠壓，凹坑周?chē)霈F翹起來(lái)的褶皺；同時(shí)產(chǎn)生一定的微裂紋，微裂紋不斷交叉和擴展，使翹起來(lái)的褶皺形成起皮[14]。除此之外，還可以看到，玻璃丸和復合噴丸TC4鈦合金表面分布有大量的黑色團狀噴丸殘留物。
圖3為T(mén)C4鈦合金噴丸處理前后表面三維形貌圖。圖中出現局部的凸起 (紅色區域) 和凹坑 (藍色區域)，更能直觀(guān)表現噴丸處理后彈丸沖擊TC4鈦合金試樣表面形成的高低起伏的形貌特征。圖2所示TC4鈦合金經(jīng)鑄鋼丸噴丸、玻璃丸噴丸和復合噴丸處理后表面的最大高度差分別為 3.377、11.081、14.224 和 17.348 μm，說(shuō)明鑄鋼丸、玻璃丸和復合噴丸處理造成的表面起伏程度逐漸增大。
圖3TC4鈦合金經(jīng)鑄鋼丸噴丸、玻璃丸噴丸和復合噴丸處理后表面三維形貌圖
Fig.3 Three-dimensional surface topographies of TC4 Ti-alloy with untreated (a) and CSSP (b), GSP (c) and CSP (d) treated
表1為T(mén)C4鈦合金的表面粗糙度參數以及比表面積?？梢钥闯?，拋光后的TC4鈦合金粗糙度Ra最小，為0.059 μm；鑄鋼丸噴丸、玻璃丸噴丸和復合噴丸處理后的粗糙度 Ra分別為 0.550、0.602 和 0.676 μm，表面粗糙度參數依次增大，這與圖3所得結論一致。
隨著(zhù)表面粗糙度的增大，比表面積也在增大，表明TC4鈦合金與腐蝕介質(zhì)接觸的有效真實(shí)面積越大，會(huì )導致腐蝕速率增大[15,16]。除此之外，粗糙度過(guò)大也會(huì )造成表面損傷，引起應力集中，萌生微裂紋，不利于表面性能的提高[10]。表面粗糙度對材料鈍化層的形成也起著(zhù)重要作用，一般來(lái)說(shuō)，光滑的表面比粗糙的表面具有更好的耐腐蝕性[17]。
2.2 表面成分分析
圖 4 是TC4鈦合金及經(jīng)鑄鋼丸噴丸、玻璃丸噴丸和復合噴丸處理后的 EDS 結果?？芍?，TC4鈦合金表面在鑄鋼丸噴丸處理后Fe含量有所增加，復合噴丸處理后Fe含量略微下降，但仍高于TC4鈦合金與玻璃丸噴丸處理試樣，表明在鑄鋼丸基礎上進(jìn)行玻璃丸噴丸，可以起到降低鑄鋼丸噴丸殘留物含量的作用。除此之外，在玻璃丸噴丸與復合噴丸處理之后，TC4鈦合金表面 O、Si 顯著(zhù)增加，Ti、V 含量隨之下降。結合對TC4鈦合金表面的粗糙度分析，表明在玻璃丸噴丸過(guò)程中，由于玻璃丸撞擊產(chǎn)生的凹坑分布更均勻，玻璃丸的碎屑嵌入了試樣表面，引入了O和Si，噴丸殘留物的覆蓋面更大，使得能譜儀檢測到的Ti、V含量下降。所以，在鑄鋼丸噴丸處理的基礎上進(jìn)行玻璃丸噴丸處理，雖然可以起到降低鑄鋼丸噴丸殘留物含量的作用，但也引入了新的玻璃丸噴丸殘留物。
圖4 未處理的TC4鈦合金及經(jīng)噴丸處理的表面EDS結果
Fig.4 Surface EDS analysis results of the surfaces of TC4 Ti-alloy with untreated (a), CSSP (b), GSP (c) and CSP (d) treated
2.3 XRD譜分析
圖 5 為噴丸處理前后TC4鈦合金表面的 XRD譜?？梢杂^(guān)察到，Ti的密排六方緊密堆積 (hcp) 晶體結構，以及體心立方 (bcc) 晶體結構所對應的衍射峰，尖銳、強烈的峰證實(shí)了該合金高度的結晶性。
圖5 未處理的TC4鈦合金及噴丸處理后TC4鈦合金的XRD譜
Fig.5 XRD patterns of TC4 Ti-alloy before and after treatment by CSSP, GSP and CSP
XRD譜沒(méi)有出現其他物相的衍射峰。由EDS分析可知是因為包括噴丸殘留元素在內的其他元素含量相對較少。與未表面處理的TC4鈦合金相比，噴丸后TC4鈦合金的 X 射線(xiàn) Bragg 衍射峰未發(fā)生明顯的變化。利用Scherrer-Wilson方程，可以近似計算出TC4鈦合金、經(jīng)鑄鋼丸噴丸、玻璃丸噴丸和復合噴丸處理后的平均晶粒尺寸，分別為154，166，180和152 nm。
表明與未處理的TC4鈦合金相比，TC4鈦合金經(jīng)噴丸處理后，平均晶粒尺寸未發(fā)生明顯變化，所用噴丸工藝對TC4鈦合金的表層影響有限。所以，噴丸處理后TC4鈦合金的耐蝕性主要由表面狀態(tài)決定。
2.4 動(dòng)電位極化測試
圖6為4種試樣在3.5%NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)?？梢?jiàn)，4 種TC4鈦合金的極化曲線(xiàn)上沒(méi)有明顯的活化—鈍化過(guò)渡，在很寬的電位區間內，試樣保持較低的陽(yáng)極電流密度，表明噴丸處理前后TC4鈦合金都能自發(fā)鈍化[18]，而且噴丸處理后的TC4鈦合金在3.5%NaCl溶液中的極化曲線(xiàn)走勢基本一致。
圖6 未處理的TC4鈦合金及噴丸處理TC4鈦合金在3.5%NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)
Fig.6 Dynamic potential polarization curves of TC4 Ti-alloy without and with CSSP, GSP and CSP treatment in 3.5%NaCl solution
根據 Tafel 曲線(xiàn)外推法擬合出的相關(guān)電化學(xué)參數如表2所示。
表2顯示了TC4鈦合金的腐蝕電位Ecorr，腐蝕電流密度 Icorr，鈍化電流密度 Ipass?？梢?jiàn)，噴丸處理使TC4鈦合金的腐蝕電位正移，但腐蝕電流密度卻增大。Ecorr只能反映發(fā)生腐蝕的傾向，并不能說(shuō)明腐蝕速率的快慢[19]。而電極材料的腐蝕速率與腐蝕電流密度相關(guān)，腐蝕電流密度越大，腐蝕速率越快[20]。所以，TC4鈦合金在噴丸處理后，Icorr增大，耐蝕性降低，而且鑄鋼丸噴丸、玻璃丸噴丸、復合噴丸的耐蝕性依次降低。從 Ipass來(lái)看，TC4鈦合金噴丸處理后，Ipass增大，表明光滑表面的鈍化膜穩定性更高[17]。噴丸處理之后，鑄鋼丸噴丸處理后的TC4鈦合金的Ipass較低，說(shuō)明鑄鋼丸噴丸處理TC4鈦合金表面形成的鈍化膜相對穩定一些，鑄鋼丸噴丸殘留物沒(méi)有對耐蝕性造成影響。
2.5 電化學(xué)阻抗測試
圖 7 是TC4鈦合金在 3.5%NaCl 溶液中電化學(xué)阻抗測試得到的Nyquist圖和Bode圖。Nyquist圖中的容抗弧半徑正比于耐蝕性，即容抗弧越大，耐蝕性越好。Bode 圖中的高頻區反映出TC4鈦合金與腐蝕溶液界面的腐蝕特性，中、低頻區反映出TC4鈦合金的特性[21]，低頻區阻抗的幅值可以直接說(shuō)明TC4鈦合金的耐蝕性?xún)?yōu)劣，阻抗幅值越大，耐蝕性能越好[22]。由圖可知，4 種TC4鈦合金的阻抗模值|Z |、相位角θ隨頻率的變化趨勢大致相同，lg|Z|-lg f曲線(xiàn)在中低頻區表現為一段斜率接近-1 的直線(xiàn)，phase-lg f曲線(xiàn)在中低頻區呈現出相位角很寬的平臺，表明TC4鈦合金有很強的耐蝕性[23]。未處理的TC4鈦合金的容抗弧半徑大于噴丸處理后的，表明TC4鈦合金的耐蝕性能優(yōu)于噴丸處理后的TC4鈦合金，噴丸處理后的TC4鈦合金中鑄鋼丸噴丸的容抗弧較大，進(jìn)一步證明鑄鋼丸噴丸的耐蝕性較好，Bode圖中低頻區的阻抗幅值大小也可以說(shuō)明這一點(diǎn)。
圖7 未處理的TC4鈦合金及噴丸處理TC4鈦合金在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜
Fig.7 Nyquist (a) and Bode (b) plots of TC4 Ti-alloy without and with CSSP, GSP and CSP treatment in 3.5%NaCl solution
圖 8 為T(mén)C4鈦合金在 3.5%NaCl 液中的等效電路圖，擬合結果見(jiàn)表3。其中，Rs表示參比電極與試樣表面之間溶液電阻；Q 和 n 是常相位角元件的兩個(gè)參數 ，Q 為常相位角元件 (CPE)，n 為 CPE 常數，-1＜n＜1。用常相位角元件Q代替純電容，主要是體系處于非理想狀態(tài)，試樣表面存在彌散效應。n值和試樣的表面粗糙度有關(guān)，n越大，說(shuō)明試樣表面鈍化膜越致密，更能有效地阻擋腐蝕介質(zhì)，降低試樣的腐蝕速率[24]。一般也認為，鈦的鈍化膜是分層存在的[25]，分為疏松結構的外層和致密的內層阻擋層[18]。所以，Q1、R1和 Q2、R2分別表示鈍化膜外部多孔層和內部致密層的電容和電阻。
圖8 未處理的TC4鈦合金及噴丸處理TC4鈦合金在3.5%NaCl溶液中的等效擬合電路圖
Fig.8 Equivalent circuit model of TC4 Ti-alloy without and with CSSP, GSP and CSP treatment in 3.5%NaCl solution
通過(guò)表 3 可知，電化學(xué)阻抗的擬合誤差值 (χ2)為10-5數量級，處于誤差范圍之內，說(shuō)明使用的等效電路模型符合要求。TC4鈦合金的鈍化膜外層電阻R1均遠小于 R2，表明TC4鈦合金的耐蝕性能主要取決于鈍化膜內部致密層，而外部疏松多孔層對耐腐蝕性的貢獻較小[18]。表中拋光后的TC4鈦合金的R2最大，表明其耐蝕性最好；其次是鑄鋼丸噴丸、玻璃丸噴丸和復合噴丸處理TC4鈦合金，耐蝕性按順序依次減小。另外，噴丸處理后，鑄鋼丸噴丸TC4鈦合金表面致密層的彌散系數 n2相對較大，表明鑄鋼丸噴丸后表面的鈍化膜更加穩定，有更好的自我修復能力，這與極化曲線(xiàn)結論一致。
2.6 Mott-Schottky測試
材料表面形成的鈍化膜通常為半導體，其電子性能可以用 Mott-Schottky 分析進(jìn)行評價(jià)[26]。根據Mott-Schottky理論，金屬-電解質(zhì)界面的電荷分布可以通過(guò)鈍化膜的空間電荷電容 Csc和電極電位 E 的函數，即Mott-Schottky方程來(lái)描述[28]。
對于n型半導體：為10-5數量級，處于誤差范圍之內，說(shuō)明使用的等效電路模型符合要求。TC4鈦合金的鈍化膜外層電阻R1均遠小于 R2，表明TC4鈦合金的耐蝕性能主要取決于鈍化膜內部致密層，而外部疏松多孔層對耐腐蝕性的貢獻較小[18]。表中拋光后的TC4鈦合金的R2最大，表明其耐蝕性最好；其次是鑄鋼丸噴丸、玻璃丸噴丸和復合噴丸處理TC4鈦合金，耐蝕性按順序依次減小。另外，噴丸處理后，鑄鋼丸噴丸TC4鈦合金表面致密層的彌散系數 n2相對較大，表明鑄鋼丸噴丸后表面的鈍化膜更加穩定，有更好的自我修復
能力，這與極化曲線(xiàn)結論一致。
2.6 Mott-Schottky測試
材料表面形成的鈍化膜通常為半導體，其電子性能可以用 Mott-Schottky 分析進(jìn)行評價(jià)[26]。根據Mott-Schottky理論，金屬-電解質(zhì)界面的電荷分布可以通過(guò)鈍化膜的空間電荷電容 Csc和電極電位 E 的函數，即Mott-Schottky方程來(lái)描述[28]。
對于n型半導體：
式中，Csc為空間電荷電容，εr為鈍化膜相對介電常數 (TiO2鈍化膜取 60[27])，ε0為真空介電常數 (8.854×10-14 F/cm)，e 為電荷電量 (1.602×10-19 C)，Nd和 Na分別為施主和受主載流子濃度，A 為試樣與液體的真實(shí)接觸面積 (已經(jīng)測得TC4鈦合金噴丸后的比表面積分別為 1.076、1.105 和 1.119，與噴丸前試樣表面積 2.25 cm2相乘，可得鑄鋼丸噴丸、玻璃丸噴丸和復合噴丸TC4鈦合金的真實(shí)面積分別為為 2.42、2.49 和 2.52 cm2)，Efb為平帶電位，k 為 Boltzmann 常數 (1.38×10-23 J/K)，T為熱力學(xué)溫度。室溫下kT/e約為25 mV，通?？梢院雎圆挥?。
在鈍化區內，TC4鈦合金表面的主要電化學(xué)反應是鈍化膜的形成，只要施加一定的鈍化電位，表面就能生成阻值很高的鈍化膜，并且隨電位升高鈍化膜會(huì )持續生長(cháng)[28]。所以在動(dòng)電位極化曲線(xiàn)鈍化區間選+1.1和+1.3 V電位，進(jìn)行恒電位極化成膜，并測試Mott-Schottky 曲 線(xiàn) 。 圖 9 為 4 種 TC4 鈦 合 金 在3.5%NaCl 溶液中+1.1 和+1.3 V 恒電位下測試的Mott-Schottky 曲線(xiàn)。由圖可知，4 種TC4鈦合金的Mott-Schottky 曲線(xiàn)變化趨勢大致相同，都出現兩個(gè)不同斜率的線(xiàn)性區。高電位區的線(xiàn)性區反映測試材料的介電行為，而低電位區的線(xiàn)性區才代表測試材料的半導體特性[29,30]。圖中TC4鈦合金 Mott-schott‐ky曲線(xiàn)的低電位區斜率為正值，且斜率隨成膜電位的增加而增加，表明 4 種試樣表面生成的鈍化膜均為 n 型半導體，即主要載流子為間隙 Ti 離子和氧空位，鈍化膜中的載流子隨成膜電位的增加而減少，與Fattah-alhosseini所得結論一致[31]。選取低電位線(xiàn)性區對試樣半導體特性進(jìn)行分析，根據 Mott-Schottky方程計算載流子密度值Nd和平帶電位Efb，Nd可以通過(guò) 1/C2-E 曲線(xiàn)的斜率 2/(eεrε0kA2) 確定，平帶電位 Efb可以由1/C2=0求得。
圖9 未處理的TC4鈦合金及復合噴丸處理后在3.5%NaCl溶液中的Mott-Schottky曲線(xiàn)
Fig.9 Mott-schottky curves of TC4 Ti-alloy without (a) and with CSSP (b), GSP (c) and CSP (d) in 3.5%NaCl solution
圖 10 為未處理的TC4鈦合金、鑄鋼丸噴丸、玻璃丸噴丸和復合噴丸處理后在 3.5%NaCl 溶液中恒電位極化所形成鈍化膜的Nd和Efb?？芍?，TC4鈦合金的 Nd最小，噴丸試樣中，鑄鋼丸噴丸后表面生成鈍化膜的載流子密度最小。載流子密度越小，意味著(zhù)鈍化膜的缺陷越少，施主密度的降低會(huì )抑制電子的轉移，進(jìn)而抑制電化學(xué)反應，從而增強了鈍化膜的保護能力[32]。隨成膜電位的升高，Efb正移，也說(shuō)明鈍化膜對TC4鈦合金的保護效果提高[33]。所以，拋光后TC4鈦合金形成的鈍化膜中具有最少的缺陷，因而保持了較低的Ipass。
圖10 未處理的TC4鈦合金及噴丸處理后在3.5%NaCl溶液中鈍化膜的Nd和Efb
Fig.10 Nd (a) and Efb (b) of passive films formed on TC4 Ti-alloy without and with CSSP, GSP and CSP treatment in 3.5%NaCl solution
根據以上分析，拋光TC4鈦合金生成的鈍化膜穩定性強，耐蝕性最高，說(shuō)明光滑的表面有助于形成均勻的鈍化膜層，增加基體的耐蝕性。噴丸處理后，鑄鋼丸噴丸TC4鈦合金的鈍化膜耐蝕性最好。
結合表面形貌及 EDS、XRD 分析可知，與少量噴丸殘留物相比，噴丸后表面的粗糙度對TC4鈦合金的耐蝕性影響更大。由于玻璃丸噴丸和復合噴丸后，TC4鈦合金表面粗糙度較大，所以與鑄鋼丸噴丸相比，耐蝕性降低。
3、 結論
(1) 噴丸前拋光的TC4鈦合金表面光滑平整，沒(méi)有缺陷。鑄鋼丸噴丸TC4鈦合金處理后的表面存在凹坑，但凹坑較淺，凹坑的周邊由于彈丸撞擊而有翹起的現象。與鑄鋼丸噴丸處理相比，玻璃丸噴丸和復合噴丸后TC4鈦合金表面的凹坑變小，但凹坑密度明顯增大，表面起伏比較大，出現許多翹起來(lái)的褶皺，甚至存在一定程度的起皮。而且噴丸后TC4鈦合金表面少量的噴丸殘留物，鑄鋼丸噴丸殘留物以Fe 為主，玻璃丸噴丸殘留物主要是 Si，復合噴丸后表面殘留物同時(shí)含Si和Fe。
(2) 拋光后TC4鈦合金的粗糙度 Ra 最小 ，為0.059 μm；噴丸處理后，表面發(fā)生塑性形變，粗糙度發(fā)生變化，鑄鋼丸噴丸、玻璃丸噴丸和復合噴丸處理后的粗糙度Ra分別為 0.550，0.602和 0.676 μm，表面粗糙度參數依次增大。所用噴丸工藝對TC4鈦合金表層的影響有限，噴丸處理后TC4鈦合金的耐蝕性主要由表面狀態(tài)決定。
(3) 在 3.5%NaCl 溶液中，拋光后的TC4鈦合金的 Icorr最小，致密層的電阻 R2最大，形成的鈍化膜缺陷較少，因而能夠保持較低 Ipass，耐蝕性最強。噴丸處理的TC4鈦合金中，鑄鋼丸噴丸處理后的鈍化膜最穩定，耐蝕性相對較高。與少量噴丸殘留物相比，表面粗糙度的大小對耐蝕性影響較大。所以，光滑的表面有助于形成均勻的鈍化膜層，增加TC4鈦合金的耐蝕性。
參考文獻
[1] Prakash C, Singh S, Pruncu C I, et al. Surface modification of Ti-6Al-4V alloy by electrical discharge coating process using partially sintered Ti-Nb electrode [J]. Materials (Basel), 2019, 12: 1006
[2] Krawiec H, Vignal V, Schwarzenboeck E, et al. Role of plastic de‐formation and microstructure in the micro-electrochemical behav‐iour of Ti-6Al-4V in sodium chloride solution [J]. Electrochim. Ac‐ta, 2013, 104: 400
[3] Kuang Y Q. Research on the application prospect of titanium alloy on steam turbine blades [J]. Jiangsu Sci. Technol. Inform., 2013,(1): 67
(匡逸強 . 鈦合金在汽輪機葉片上的應用前景研究 [J]. 江蘇科技信息, 2013, (1): 67)
[4] Chen G Q, Tian T Y, Zhang X H, et al. Microstructure and fatigue properties of Ti-6Al-4V titanium alloy treated by wet shot peening of ceramic beads [J]. Chin. J. Nonferrous Met., 2013, 23: 122
(陳國清, 田唐永, 張新華等. Ti-6Al-4V鈦合金陶瓷濕噴丸表面強化微觀(guān)組織與疲勞性能 [J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2013, 23: 122)
[5] Yang C, Liu Y G, Li M Q. Characteristics and formation mecha‐nisms of defects in surface layer of TC17 subjected to high energy shot peening [J]. Appl. Surf. Sci., 2020, 509: 144711
[6] Oh-Ishi K, Edalati K, Kim H S, et al. High-pressure torsion for en‐hanced atomic diffusion and promoting solid-state reactions in the aluminum-copper system [J]. Acta Mater., 2013, 61: 3482
[7] Oudriss A, Creus J, Bouhattate J, et al. Grain size and grain-bound‐ary effects on diffusion and trapping of hydrogen in pure nickel [J].Acta Mater., 2012, 60: 6814
[8] Zhao R, Wu Z, Liu L, et al. Research progress in effect of shot peen‐ing on corrosion resistance of metallic materials [J]. Heat Treat.Met., 2018, 43(12): 88
(趙蓉, 吳忠, 劉磊等. 噴丸對金屬材料耐蝕性能影響的研究進(jìn)展[J]. 金屬熱處理, 2018, 43(12): 88)
[9] Li K, Fu X S, Li Z Q, et al. Fatigue fracture mechanism of Ti-6Al-4V alloy strengthened by wet peening treatment [J]. Rare Met. Ma‐ter. Eng., 2017, 46: 3068
(李康, 付雪松, 李志強等. 濕噴丸強化對TC4合金疲勞斷裂機制的影響 [J]. 稀有金屬材料與工程, 2017, 46: 3068)
[10] Zhang C H, Xie G, Song W, et al. Fatigue performance of surface nanocrystallized TC4 [J]. Rare Met. Mater. Eng., 2015, 44: 866
(張聰惠, 解鋼, 宋薇等. 表面納米化TC4疲勞性能研究 [J]. 稀有金屬材料與工程, 2015, 44: 866)
[11] Huang Y, Zhou J Z, Li J, et al. Effects of cryogenic laser peening on damping characteristics and vibration fatigue life of TC6 titani‐um alloy [J]. Chin. J. Laser, 2020, 47: 0402011
(黃宇, 周建忠, 李京等. 深冷激光噴丸對TC6鈦合金阻尼特性及振動(dòng)疲勞壽命的影響 [J]. 中國激光, 2020, 47: 0402011)
[12] Tan L, Yao C F, Zhang D H, et al. Evolution of surface integrity and fatigue properties after milling, polishing, and shot peening of TC17 alloy blades [J]. Int. J. Fatigue, 2020, 136: 105630
[13] Soyama H, Takeo F. Effect of various peening methods on the fa‐tigue properties of titanium Alloy Ti6Al4V manufactured by direct metal laser sintering and electron beam melting [J]. Materials,2020, 13: 2216
[14] Yang L. Analysis of surface roughness and impairment after sur‐face nanocrystallization for HSP [D]. Dalian: Dalian Jiaotong Uni‐versity, 2006
(楊磊. 高能?chē)娡璞砻婕{米化后表面粗糙度和損傷的研究 [D]. 大連: 大連交通大學(xué), 2006)
[15] Lee H S, Kim D S, Jung J S, et al. Influence of peening on the cor‐rosion properties of AISI 304 stainless steel [J]. Corros. Sci., 2009,51: 2826
[16] Hao Y W, Deng B, Zhong C, et al. Effect of surface mechanical at‐trition treatment on corrosion behavior of 316 stainless steel [J]. J.Iron Steel Res. Int., 2009, 16: 68
[17] Chi G F, Yi D Q, Liu H Q. Effect of roughness on electrochemical and pitting corrosion of Ti-6Al-4V alloy in 12 wt.%HCl solution at 35 ℃ [J]. J. Mater. Res. Technol., 2020, 9: 1162
[18] Xu J, Bao X K, Jiang S Y. In vitro corrosion resistance of Ta2N nanocrystalline coating in simulated body fluids [J]. Acta Metall.Sin., 2018, 54: 443
(徐江, 鮑習科, 蔣書(shū)運 . 納米晶 Ta2N 涂層在模擬人體環(huán)境中的耐蝕性能研究 [J]. 金屬學(xué)報, 2018, 54: 443)
[19] Li X, Dong Y C, Dan Z H, et al. Corrosion behavior of ultrafine grained pure ti processed by equal channel angular pressing [J].Acta Metall. Sin., 2019, 55: 967
(李鑫, 董月成, 淡振華等. 等通道角擠壓制備超細晶純Ti的腐蝕性能研究 [J]. 金屬學(xué)報, 2019, 55: 967)
[20] Xie F X, He X B, Cao S L, et al. Influence of pore characteristics on microstructure, mechanical properties and corrosion resistance of selective laser sintered porous Ti–Mo alloys for biomedical ap‐plications [J]. Electrochim. Acta, 2013, 105: 121
[21] Shukla A K, Balasubramaniam R, Bhargava S. Properties of pas‐sive film formed on CP titanium, Ti-6Al-4V and Ti-13.4Al-29Nb alloys in simulated human body conditions [J]. Intermetallics,2005, 13: 631
[22] Yang Y J, Zhang X Y, Liu M H. Galvanic corrosion of TB5 titani‐um alloy of anodic oxidation film [J]. J. Aeronaut. Mater., 2015, 35(5): 57
(楊勇進(jìn), 張曉云, 劉明輝. TB5鈦合金脈沖陽(yáng)極氧化膜電偶腐蝕性能研究 [J]. 航空材料學(xué)報, 2015, 35(5): 57)
[23] Yang F, Wu J P, Guo D Z, et al. Electrochemical corrosion of Ti-Ta alloy in nitric acid [J]. Titanium Ind. Prog., 2018, 35(2): 22
(楊帆, 吳金平, 郭荻子等 . Ti-Ta 合金在硝酸中電化學(xué)腐蝕研究[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2018, 35(2): 22)
[24] Shi K Y, Zhang J Z, Zhang Y, et al. Preparation and corrosion resis‐tance of Nb2N coating on TC4 Ti-alloy [J]. J. Chin. Soc. Corros.Prot., 2019, 39: 313
(史昆玉, 張進(jìn)中, 張毅等 . Nb2N 涂層制備及其耐腐蝕性能研究[J]. 中國腐蝕與防護學(xué)報, 2019, 39: 313)
[25] Wang L, Yi D Q, Liu H Q, et al. Effect of Ru on corrosion behav‐ior of Ti-6Al-4V alloy and its mechanism [J]. J. Chin. Soc. Corros.Prot., 2020, 40: 25
(王樂(lè ), 易丹青, 劉會(huì )群等. Ru對Ti-6Al-4V合金腐蝕行為的影響及機理研究 [J]. 中國腐蝕與防護學(xué)報, 2020, 40: 25)
[26] Jiang Z L, Xin D, Middleton H. Investigation on passivity of titani‐um under steady-state conditions in acidic solutions [J]. Mater.Chem. Phys., 2011, 126: 859
[27] Jovic V D, Barsoum M W. Corrosion behavior and passive filmcharacteristics formed on Ti, Ti3SiC2, and Ti4AlN3 in H2SO4 and HCl [J]. J. Electrochem. Soc., 2004, 151: B71
[28] Yan S K, Zheng D J, Wei J, et al. Electrochemical activation of pas‐sivated pure Titanium in artificial seawater [J]. J. Chin. Soc. Cor‐ros. Prot., 2019, 39: 123
(嚴少坤, 鄭大江, 韋江等. 鈍性純Ti在人工海水中的電化學(xué)活化行為研究 [J]. 中國腐蝕與防護學(xué)報, 2019, 39: 123)
[29] Silva R A, Walls M, Rondot B, et al. Electrochemical and micro‐structural studies of tantalum and its oxide films for biomedical ap‐plications in endovascular surgery [J]. J. Mater. Sci.: Mater. Med.,2002, 13: 495
[30] Schneider M, Schroth S, Schilm J, et al. Micro-EIS of anodic thinoxide films on titanium for capacitor applications [J]. Electrochim.Acta, 2009, 54: 2663
[31] Fattah-Alhosseini A, Imantalab O, Ansari G. The role of grain re‐finement and film formation potential on the electrochemical be‐havior of commercial pure titanium in Hank's physiological solu‐tion [J]. Mater. Sci. Eng., 2017, 71C: 827
[32] Zheng Z J, Gao Y, Gui Y, et al. Corrosion behaviour of nanocrystal‐line 304 stainless steel prepared by equal channel angular pressing[J]. Corros. Sci., 2012, 54: 60
[33] Zhang C H, Song W, Wang Y M, et al. Effect of surface strengthen‐ing on corrosion property of Ti-6Al-4V in 3.5%NaCl [J]. Appl.Mech. Mater., 2016, 853: 473
相關(guān)鏈接
