超音速微粒轰击对Q355NH 耐候钢表面结构及电化学腐蚀性能的影响 sup ① _sup _杨军.pdf

超音速微粒轰击对 Q３５５NH 耐候钢表面结构及 电化学腐蚀性能的影响 ① 杨 军１，２， 谢小龙１， 汪蓬勃３， 邹德宁１，２ （１.西安建筑科技大学 冶金工程学院，陕西 西安 ７１００５５； ２. 陕西省黄金与资源重点实验室，陕西 西安 ７１００５５； ３.石油管工程技术研究院，陕西 西安 ７１００７７） 摘 要 利用超音速微粒轰击（ＳＦＰＢ）技术在 Ｑ３５５ＮＨ 耐候钢表面制备了梯度纳米结构层。 采用光学显微镜、扫描电镜、Ｘ 射线衍 射仪和显微硬度仪表征并分析了 ＳＦＰＢ 处理时间（１５ ｍｉｎ、３０ ｍｉｎ 和 ４５ ｍｉｎ）对试验钢微观组织及电化学腐蚀行为的影响。 结果表 明，随着 ＳＦＰＢ 处理时间增加，试样表面强烈塑性变形层厚度相应增加，表面晶粒尺寸分别为２７.５ ｎｍ、２４ ｎｍ 和２３.１ ｎｍ，表面硬度呈 现不同程度地增加。 试样的耐电化学腐蚀性能强弱与处理时间的关系如下１５ ｍｉｎ 试样＞未处理试样＞３０ ｍｉｎ 试样＞４５ ｍｉｎ 试样。 从表面腐蚀形貌可以得出，处理 １５ ｍｉｎ 的试样表面保护性的钝化膜较为致密，而其他不同状态下的试样钝化膜则相对出现一些裂 纹和孔洞。 关键词 表面改性； 表面处理； 耐候钢； 超音速微粒轰击； 表面纳米化； 腐蚀性能； 微观组织 中图分类号 ＴＧ１７４.４文献标识码 Ａｄｏｉ１０.３９６９／ ｊ.ｉｓｓｎ.０２５３－６０９９.２０２０.０１.０３１ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０２０）０１－０１３０－０４ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ Ｆｉｎｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ Bｏｍｂａｒｄｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Bｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｑ３５５ＮＨ Ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ Ｓｔｅｅｌ ＹＡＮＧ Ｊｕｎ１，２， ＸＩＥ Ｘｉａｏ-ｌｏｎｇ１， ＷＡＮＧ Ｐｅｎｇ-ｂｏ３， ＺＯＵ Ｄｅ-ｎｉｎｇ１，２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｘｉ′ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉ′ａｎ ７１００５５， Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈａｎｎｘｉ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｇｏｌｄ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ， Ｘｉ′ａｎ ７１００５５， Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ； ３．ＣＮＰＣ Ｔｕｂｕｌａｒ Ｇｏｏｄｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｘｉ′ａｎ ７１００７７， Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｌａｙｅｒｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ Ｑ３５５ＮＨ ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｕｓｉｎｇ ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ ｆｉｎｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｂｏｍｂａｒｄｉｎｇ （ ＳＦＰＢ）， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｗｅｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ， ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ， Ｘ-ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ ｔｅｓｔｅｒ. Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｉｍｅ （１５ ｍｉｎ， ３０ ｍｉｎ ａｎｄ ４５ ｍｉｎ） ｏｆ ＳＦＰＢ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔｅｄ ｓｔｅｅｌ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｓ ｔｈｅ ＳＦＰＢ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｉｍｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ， ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｖｅｒｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ ｗｉｌｌ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅ， ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｓｉｚｅｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｇｒａｉｎ ａｒｅ ２７.５ ｎｍ， ２４ ｎｍ ａｎｄ ２３.１ ｎｍ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｉｓ ａｌｓｏ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｓｏｍｅ ｖａｒｙｉｎｇ ｄｅｇｒｅｅｓ. Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｓａｍｐｌｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｔ ｆｉｒｓｔ ａｆｔｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｆｏｒ １５ ｍｉｎ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｉｍｅ ｉｓ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｔｏ ３０ ｍｉｎ ａｎｄ ４５ ｍｉｎ. Ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｆｉｌｍ ｉｓ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐａｃｔ ａｆｔｅｒ １５ ｍｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｗｈｉｌｅ ｍａｎｙ ｃｒａｃｋｓ ａｎｄ ｈｏｌｅｓ ａｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｆｉｌｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ａｆｔｅｒ ｏｔｈｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｉｍｅ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ； ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ； ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ ｓｔｅｅｌ； ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ ｆｉｎｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｂｏｍｂａｒｄｉｎｇ； ｓｕｒｆａｃｅ ｎａｎｏ-ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ； ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ； ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 纳米材料因其优异的光、电、磁、热、力学、机械等 物理化学性能，获得了国内外学者广泛而深入的研 究［１－２］。 表面纳米化技术对于金属材料表面性能的改 善具有十分明显的效果［３］。 目前，随着装备制造技术 ①收稿日期 ２０１９－０９－１８ 基金项目 国家自然科学基金（５１７７４２２６， Ｕ１４６０１０４） 作者简介 杨 军（１９６２－），男，陕西西安人，教授，博士，主要从事连铸新技术及先进材料等领域的教学与科研工作。 通讯作者 汪蓬勃（１９７４－），男，陕西西安人，高级工程师，博士，主要从事石油管材与装备的应用技术。 第 ４０ 卷第 １ 期 ２０２０ 年 ０２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ.４０ №１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０２０ ChaoXing 的快速发展，诸多机械表面处理技术已经能够实现金属 材料的表面纳米化，如高能喷丸（ＳＳＰ）［４］、超音速微粒 轰击（ＳＦＰＢ）［５］、表面机械研磨（ＳＭＡＴ）［６］等。 ＳＦＰＢ 具 有工作效率高、固体颗粒可循环利用、无心脏辐射危害、 成本低等优点，被认为是一种新型的表面纳米化技术。 １ 实 验 本实验选用 Ｑ３５５ＮＨ 耐候钢为研究对象，材料的 原始组织为珠光体和铁素体，试验用钢的化学成分如 表 １ 所示。 表 １ 试验用钢化学成分质量分数 / ＣＭｎＳＰＳｉＣｒ ０.０９１.１３０.００２０.０１２０.２６０.４７ ＮｉＣｕＭｏＶＴｉＦｅ ０.３３０.２６０.００６０.００４０.０１２Ｂａｌ 利用电火花切割机切取厚度为 ４ ｍｍ、工作面面积 为 ６０ ｍｍ ４０ ｍｍ 的板状试样。对试样工作面进行 逐级打磨并抛光，本实验进行钢板的单侧超音速微 粒轰击（ＳＦＰＢ）处理，对处理面进行研究，工艺参数 分别为喷丸材质采用铸钢丸，喷射角 ９０，弹丸直径 ０.６ ｍｍ，工作气压 ０.４０ ＭＰａ，气流速度 １ ０００ ｍ／ ｓ，喷射 时间 １５ ｍｉｎ、３０ ｍｉｎ 和 ４５ ｍｉｎ。 采用 ＭＲ５０００ 光学显微镜（ＯＭ）对不同处理时间 后的试样进行组织观察。 采用 Ｘ 射线衍射仪（ＸＲＤ） 分析试样表面的衍射图谱，并结合谢乐公式计算试样 表面平均晶粒尺寸及微观应变。 采用 ＨＶＳ－１０００ 显微 硬度仪测试其厚度截面硬度。 利用 ＪＳＭ－７００１Ｆ 扫描电 子显微镜分析电化学腐蚀后试样的表面形貌。 电化学腐蚀实验中，测试了材料喷丸前后的极化 曲线及电化学阻抗谱，设备为 Ｐ４０００ 型电化学工作 站，电化学测量采用的是三电极系统，参比电极为饱和 甘汞电极，辅助电极为铂电极，其他试验参数为腐蚀 介质为 ３.５％ＮａＣｌ 溶液，腐蚀电压－１.０～ －０.１ Ｖ，扫描 速度 ４１０ －４ Ｖ／ ｓ。 ２ 结果与讨论 ２.１ 金相显微组织分析 图 １ 为 ＳＦＰＢ 处理前后的试样截面微观组织。 利 用 Ｎａｎｏｍｅａｓｕｒｅ 软件统计，未处理试样平均晶粒尺寸 为 ６.４ μｍ。 从图 １ 可以看出，不同状态下材料的微观 组织类型相同，均为典型的珠光体和铁素体，其中珠光 体为深色长条状，铁素体为浅色多边形块状，伴有少部 分的条状。 ＳＦＰＢ 处理 １５ ｍｉｎ 时，试样表面晶粒发生 明显细化，在光学显微镜下晶界难以分辨，试样截面方 向上塑性变形层部分区域呈 ４５的流变组织。 当处理 时间分别为 ３０ ｍｉｎ 和 ４５ ｍｉｎ 时，变形层厚度逐渐增 加，由于剧烈变形而出现的流变组织更加明显。 经计 算，ＳＦＰＢ 分别处理 １５ ｍｉｎ、３０ ｍｉｎ 和 ４５ ｍｉｎ 后的试样 平均变形层厚度分别为４５.７ μｍ、５８.９ μｍ 和７４.２ μｍ。 图 １ SFPB 处理前后试样表面和截面组织照片 （ａ） 未处理； （ｂ） 处理 １５ ｍｉｎ； （ｃ） 处理 ３０ ｍｉｎ； （ｄ） 处理 ４５ ｍｉｎ ２.２ 表面纳米化后平均晶粒尺寸及微观应变 不同处理时间试样 Ｘ 射线衍射图谱见图 ２。 从 图 ２ 可以发现，由于试样表面发生了强烈塑性变形， ＳＦＰＢ 处理后试样表面（１１０）、（２００）和（２１１）衍射峰均 出现宽化。 604080100120 2 / θ 110 200 211 15 min 未处理 30 min 45 min 图 ２ SFPB 处理前后试样 X 射线衍射图谱 扣除仪器宽化影响后常使用 Ｓｃｈｅｒｒｅｒ-Ｗｉｌｓｏｎ 公式 计算晶粒尺寸及微观应变 Ｄ ＝ Ｋλ βｃｏｓθ 式中 Ｄ 为平均晶粒尺寸，ｎｍ；Ｋ 为 Ｓｃｈｅｒｒｅｒ 常数，取值 为 ０.８９；λ 是 Ｘ 射线波长，λ ＝ ０.１７９ ０２１ ｎｍ；β 为实测 样品衍射峰半高宽度，ｎｍ；θ 为布拉格衍射角，（）。 １３１第 １ 期杨 军等 超音速微粒轰击对 Ｑ３５５ＮＨ 耐候钢表面结构及电化学腐蚀性能的影响 ChaoXing 经计算，表面纳米化后试样表面晶粒尺寸和平均微观 应变如表 ２ 所示。 可以看出，试样经过表面剧烈塑性 变形后，晶粒尺寸均达到纳米级，并且随着处理时间延 长，表面塑性应变不断增大，晶粒尺寸逐渐减小。 表 ２ 表面纳米化后试样表面晶粒尺寸及平均微观应变 处理时间／ ｍｉｎ表面晶粒尺寸／ ｎｍ平均应变／ ％ １５２７.５０.１６６ ３０２４.９０.１７５ ４５２３.１０.２０７ ２.３ 表面纳米化后试样微观硬度分析 试样沿厚度方向显微硬度分布如图 ３ 所示。 从 图 ３ 可以看出，ＳＦＰＢ 处理使 Ｑ３５５ＮＨ 耐候钢材料的显 微硬度显著提高，且随着处理时间增加，变形层硬度逐 渐增大，特别是在处理 ４５ ｍｉｎ 条件下，最大硬度值达 到 ２６８ＨＶ，远超过基体组织的 １５１ＨＶ。 作者认为硬度 值的提高主要源于剧烈塑性变形过程中产生的晶粒细 化。 根据 Ｈａｌｌ-Ｐｅｔｃｈ 关系，随着晶粒尺寸减小，材料强 度逐渐增大，一般地，材料强度与硬度呈正比关系。 在 ＳＦＰＢ 过程中所形成的位错缺陷没有充分时间运动，导 致位错缺陷增加的速度远大于湮灭的速度，材料表面 晶粒被细化到了纳米级［７］。 可见，材料表面晶粒细化 程度与其表面所经塑性变形而造成的缺陷密度密切 相关。 距表面深度/μm 290 250 210 170 130 040208060100120140 微观度HV ■ ● ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ■● ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ 未处理 15 min 30 min 45 min ▲ ■ ● ▲ 图 ３ 表面纳米化后试样显微硬度分布 ２.４ 表面纳米化后试样极化曲线及阻抗谱分析 图 ４ 为 Ｑ３５５ＮＨ 耐候钢经不同 ＳＦＰＢ 处理时间后 在 ３.５％ＮａＣｌ 介质中的极化曲线。 从图 ４ 可以看出，４ 种不同状态下的耐候钢极化曲线形状相似，其中，处理 １５ ｍｉｎ 的试样自腐蚀电位最正，处理 ４５ ｍｉｎ 的试样自 腐蚀电位最负，通常情况下，腐蚀电位越正，材料的腐 蚀倾向越低。 另一方面，腐蚀电流密度可以反映出试 样的腐蚀速率大小，一般腐蚀电流密度与材料腐蚀速 率成正比。 电流密度lg[J/A cm-2] 0.0 -0.4 -0.8 -1.2 -6-9-3-1 电极电位/V 3 1 4 3 2 1 4 2 1 未处理 2 15 min 3 30 min 4 45 min 图 ４ 不同处理时间下试样的极化曲线 对极化曲线 Ｔａｆｅｌ 区进行外推法计算，结果如表 ３ 所示。 从表 ３ 可以看出，处理 １５ ｍｉｎ 试样与粗晶试样 相比腐蚀电位提高，腐蚀电流密度降低，耐腐蚀性能有 所提高，而处理 ３０ ｍｉｎ 和 ４５ ｍｉｎ 试样的耐腐蚀性能甚 至要差于原始粗晶试样，耐蚀性强弱依次为 １５ ｍｉｎ 试 样、未处理试样、３０ ｍｉｎ 试样、４５ ｍｉｎ 试样。 这说明 Ｑ３５５ＮＨ 钢在 ＳＦＰＢ 之后耐腐蚀性能会发生变化，且腐 蚀性能的变化情况与 ＳＦＰＢ 处理时间有密切关系。 表 ３ 不同处理时间下试样电化学腐蚀拟合与实测值 试样 腐蚀电位 ／ ｍＶ 电流密度 ／ （１０ －６ Ａｃｍ －２ ） 溶液电阻 ／ （Ωｃｍ２） 电荷转移电阻 ／ （Ωｃｍ２） 表面膜电阻 ／ （Ωｃｍ２） 未处理－５９７６.０５８.６５６９９７.３ １５ ｍｉｎ－５３０５.８０.９２７３９３３２.７ ３０ ｍｉｎ－６２２７.３０９.２４４７１６５.１ ４５ ｍｉｎ－８００１６.５５９.７８３８９１８０.７ 试样经不同 ＳＦＰＢ 处理时间后在 ３.５％ＮａＣｌ 介质 中的电化学阻抗谱如图 ５ 所示。 根据电化学反应原 理，容抗弧的半径能够反映出耐候钢的腐蚀速率。 从 图 ５ 可以发现，处理 １５ ｍｉｎ 试样容抗弧半径大于其他 ３ 种状态下的试样，说明其耐腐蚀性能最好；处理 ４５ ｍｉｎ 时试验钢耐蚀性最差。 此外，经过 ＳＦＰＢ 处理 的试样高频端存在半径较小的容抗弧，所以在整个电 化学过程存在两个时间常数，其中高频端的容抗弧与 Zr/Ω cm2 500 400 300 200 100 0 2000400600800 Zi/Ω cm2 1 未处理, 实测值 2 未处理, 模拟值 3 15 min, 实测值 4 15 min, 模拟值 5 30 min, 实测值 6 30 min, 模拟值 7 45 min, 实测值 8 45 min, 模拟值 1 2 6 5 7 8 3 4 图 ５ 不同处理时间下试样的电化学阻抗谱 ２３１矿 冶 工 程第 ４０ 卷 ChaoXing 电荷转移和膜效应有关，表示材料的腐蚀溶解过 程［８］；中频容抗弧表示材料表面形成了钝化膜［９］。 根 据电化学阻抗谱信息，选择相应的电路来等效拟定 ＥＩＳ 数据，等效电路如图 ６ 所示。 通过 ＺＳｉｍｐＷｉｎ 软件 对电化学阻抗谱数据进行拟合，从图 ５ 可以看出模拟 结果与实测 Ｎｙｑｕｉｓｔ 曲线偏差较小，说明等效电路模拟 结果准确。 Rs Rt Q R Q 图 ６ 等效电路 ２.５ 试样表面腐蚀形貌分析 图 ７ 为不同试样表面腐蚀产物的 ＳＥＭ 图。 经过 电化学腐蚀试验后，所有试样的表面均发生明显的腐 蚀现象。 ＳＦＰＢ 处理 １５ ｍｉｎ 后，试样表面形成致密度 较高的产物膜，局部有轻微脱落现象，钝化膜的快速形 成阻碍了腐蚀介质对基体的进一步侵蚀，使得腐蚀速 率降低；原始试样在腐蚀介质的作用下，试样表面腐蚀 产物膜形成并不均匀，保护膜的脱落较 １５ ｍｉｎ 试样严 重，主要原因是钝化膜的形成速率较低，腐蚀介质会通 过表面不均匀的缺陷处进入产物膜内部，从而对基体 进行腐蚀，使得其腐蚀速率有所增加；处理 ３０ ｍｉｎ 的 试样表面分布许多细小的沟槽及裂纹，起皮现象明显， 腐蚀程度加重；ＳＦＰＢ 处理 ４５ ｍｉｎ 时，出现了更多的腐 蚀孔洞，生成的保护膜几乎被完全破坏，这是由于长时 间的表面塑性变形造成材料表面粗糙度和缺陷密度增 大，表面处化学反应活性提高［１０］，并且由于缺陷分布 得不均匀，所以无法生成完整的保护膜，使得材料电化 学腐蚀速率大大增加。 图 ７ SFPB 处理前后试样表面电化学腐蚀形貌 （ａ） 未处理； （ｂ） 处理 １５ ｍｉｎ； （ｃ） 处理 ３０ ｍｉｎ； （ｄ） 处理 ４５ ｍｉｎ 纳米晶材料内部存在大量晶界、三叉晶界和其他结 构缺陷，这些缺陷的存在一方面可以作为原子快速扩散 的通道，另一方面也增强氧化还原反应的反应活 性［１１－１２］。 ＳＦＰＢ 处理 １５ ｍｉｎ 的试样表面活性较原始试 样高，能够加速形成稳定的钝化膜。 然而，随着处理时 间持续增加，到达 ３０ ｍｉｎ 及 ４５ ｍｉｎ 时，表面缺陷密度急 剧增大，完整的钝化膜无法形成。 对于表面塑性变形时 间较短（１５ ｍｉｎ）的试样来说，保护性钝化膜的快速形成 是影响材料电化学腐蚀行为的主要原因，而当材料表面 受到更长时间的塑性变形（３０ ｍｉｎ 和 ４５ ｍｉｎ）时，材料 表面缺陷密度的持续增加则会成为主要因素。 ３ 结 论 １） 在实验范围内，随着 ＳＦＰＢ 处理时间增加，耐 候钢表面形成的强烈塑性变形层厚度逐渐增加，由于 位错的分割作用，原始晶粒均细化至纳米级，晶粒细化 是材料显微硬度提高的主要原因。 ２） ＳＦＰＢ 处理 １５ ｍｉｎ 的试样自腐蚀电位最正，腐 蚀电流密度最小，并且容抗弧半径大于其他 ３ 种状态下 的试样，说明其耐腐蚀性能最好。 耐蚀性能强弱与处理 时间的关系如下１５ ｍｉｎ 试样＞未处理试样＞３０ ｍｉｎ 试 样＞４５ ｍｉｎ 试样。 ３） 处理 １５ ｍｉｎ 的试样表面保护性的钝化膜较为 致密，而其他不同状态下的试样钝化膜则相对出现一 些裂纹和孔洞。 较短时间的表面强烈塑性变形，有利 于钝化膜的快速形成，但处理时间过长时，会阻碍致密 完整的钝化膜形成。 参考文献 ［１］ 汤洪波，周 健，苏玉长. ＬａＢ６＠ ＳｉＯ２／ Ａｇ 纳米材料的制备及光催 化性能［Ｊ］. 矿冶工程， ２０１８（２）１２４－１２７. ［２］ 何柏林，熊 磊. 金属表面纳米化及其对材料性能影响的研究进 展［Ｊ］. 兵器材料科学与工程， ２０１６（２）１１６－１２０. ［３］ 牟文宁，辛海霞，雷雪飞，等. 表面改性对铁尾矿基复合材料吸水 性能的影响［Ｊ］. 矿冶工程， ２０１８（４）１３９－１４３. ［４］ Ｄａｉ Ｓ， Ｚｈｕ Ｙ， Ｈｕａｎｇ Ｚ. Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｐｕｒｅ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｗｉｔｈ ｎａｎｏ-ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｓｈｏｔ ｐｅｅｎｉｎｇ［Ｊ］. Ｖａｃｕｕｍ， ２０１６，１２５２１５－２２１. ［５］ Ｍａ Ｇ Ｚ， Ｘｕ Ｂ Ｓ， Ｗａｎｇ Ｈ Ｄ， ｅｔ ａｌ. Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａ- ｔｉｏｎ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｌｏｗ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｏｎ ｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ １Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ［Ｊ］. Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２０１０，２５７ （４）１２０４－１２１０. ［６］ Ｌｕ Ｋ， Ｌｕ Ｊ. Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｌａｙｅｒ ｏｎ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ- ｄｕｃｅｄ ｂｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｔｔｒｉｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ［Ｊ］. Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ（Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）， ２００４，３７５－３７７３８－４５. （下转第 １３７ 页） ３３１第 １ 期杨 军等 超音速微粒轰击对 Ｑ３５５ＮＨ 耐候钢表面结构及电化学腐蚀性能的影响 ChaoXing 图 ７ 电子束铸锭和原料锭的金相照片 （ａ） 原料锭； （ｂ） 电子束锭中部区域； （ｃ） 电子束锭边缘区域 ４ 结 论 １） 采用有限元模拟方法研究了贫铀电子束熔炼 过程温度场分布，结果表明，熔池中等温线近似呈半椭 圆形，随着电子束功率增加，金属液温度升高，坩埚中 熔化的金属量增多。 ２） 采用单电子束枪对贫化铀进行熔炼时，坩埚中 心及底部的金属熔化较多，四周区域的金属熔化较少。 采用双电子束枪熔炼时，可以获得较为均匀的温度场， 且当电子束功率大于 ２５ ｋＷ 时，可获得较大的熔池深 度和宽度。 ３） 根据数值模拟结果，开展了贫化铀电子束熔炼 实验，结果表明，夹杂物主要集中在铸锭边缘，通过电 子束熔炼可以降低夹杂物含量。 参考文献 ［１］ 葛 鹏. 贫铀材料的工业应用［Ｊ］. 稀有金属快报， ２００４，２３（２）８ －３０. ［２］ 蒋复量，张 帅，李向阳，等. 基于正交设计的类铀矿岩相似材料 配合比试验研究［Ｊ］. 矿冶工程， ２０１８，３８（２）２０－２４. ［３］ 张新建，汪小琳，罗 超. Ｕ 基二元熔体的热力学计算［Ｊ］. 稀有 金属材料与工程， ２００９，３８（４）６０３－６０６. ［４］ 张广丰. 密闭体系中 Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ 对 Ｕ-０.７％Ｔｉ 合金与水汽反应的影 响［Ｄ］. 绵阳中国工程物理研究院， ２０１５. ［５］ Ｃｈｅｎ Ｄ， Ｚｈａｎｇ Ｘ Ｊ， Ｗｕ Ｈ Ｘ， ｅｔ ａｌ. Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ａ ｌｏｗ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ-ａｇｅｄ Ｕ-Ｎｂ ａｌｌｏｙ［Ｊ］. Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ， ２０１９，７３９１－１６. ［６］ 姜国圣，王志法，崔大田，等. 纯钽片晶粒大小控制与深冲性能［Ｊ］. 矿 冶工程， ２００７，２７（２）７８－８０. ［７］ 刘文胜，刘书华，龙路平，等. 基于有限元法对电子束熔炼提纯钨 过程的温度场模拟［Ｊ］. 稀有金属， ２０１４，３８（４）６６６－６７３. ［８］ 雷文光，于兰兰，毛小南，等. 电子束冷床熔炼 ＴＣ４ 钛合金铸锭凝 固过程有限元模拟［Ｊ］. 铸造， ２０１０，５９（９）９１２－９１６. ［９］ Ｈａｍｐｅｌ Ｃ Ａ. Ｒａｒｅ Ｍｅｔａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］. Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ Ｒｅｉｎｈｏｌｄ Ｐｕｂ- ｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， １９６１. ［１０］ 罗 超，李殿中，李 强，等. Ｕ-２Ｎｂ 合金凝固过程的计算机模拟［Ｊ］. 铸造， ２００４，５３（６）４６９－４７１. ［１１］ 苏 斌，陈道明，王震宏，等. 基于有限元法的钒合金电子束熔炼 过程数值模拟研究［Ｊ］. 稀有金属材料与工程， ２０１９，４８（３）７１１ －７１５. 引用本文 吴 健，宋 虎，曾 钢，等. 金属铀电子束熔炼实验及数值 模拟研究［Ｊ］. 矿冶工程， ２０２０，４０（１）１３４－１３７. （上接第 １３３ 页） ［７］ Ｂａｈｌ Ｓ， Ｓｕｗａｓ Ｓ， Ｕｎｇａｒ Ｔ， ｅｔ ａｌ. Ｅｌｕｃｉｄａｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｅｖｏｌｕ- ｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｉｎ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｔｔｒｉｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ［Ｊ］. Ａｃｔａ ｍａｔｅｒｉａｌｉａ， ２０１７，１２２１３８－１５１. ［８］ Ｌａｌｅｈ Ｍ， Ｋａｒｇａｒ Ｆ. Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ- ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎｄ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＡＺ９１Ｄ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ［Ｊ］. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ＆ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ， ２０１１，５０９（３７）９１５０－９１５６. ［９］ Ｚｕｃｃｈｉ Ｆ， Ｇｒａｓｓｉ Ｖ， Ｆｒｉｇｎａｎｉ Ａ， ｅｔ ａｌ. Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ａ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｅｌｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， ２００６，３６（２）１９５－２０４. ［１０］ 杨建海，张玉祥，葛利玲，等. ２Ａ１４ 铝合金混合表面纳米化对电 化学腐蚀行为的影响［Ｊ］. 金属学报， ２０１６，５２（１１）１４１３－１４２２. ［１１］ 王胜刚，孙 淼，龙 康. 纳米晶 ３０４ 不锈钢板材的深度轧制技 术及其力学与腐蚀性能研究进展［Ｊ］. 精密成形工程， ２０１７， ９（３）１－７. ［１２］ 卢 柯. 梯度纳米结构材料［Ｊ］. 金属学报， ２０１５，５１（１）１－１０. 引用本文 杨 军，谢小龙，汪蓬勃，等. 超音速微粒轰击对 Ｑ３５５ＮＨ 耐 候钢表面结构及电化学腐蚀性能的影响［Ｊ］. 矿冶工程， ２０２０，４０（１） １３０－１３３. ７３１第 １ 期吴 健等 金属铀电子束熔炼实验及数值模拟研究 ChaoXing