调制结构对NiCrMoAl/Al多层复合薄膜的微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响

《Applied Surface Science》：Effect of modulation structure on microstructure, mechanical and tribological properties of NiCrMoAl/Al multilayer composite films

CuNiSi合金表面经超声表面滚动处理（USRT）和喷丸处理（SP）后，纳米晶层形成，显著提升表面硬度与残余压应力，电化学测试显示其耐3.5wt% NaCl腐蚀性能增强，机理与晶界密度及压应力稳定氧化膜相关。

　　CuNiSi合金因其优异的强度和导电性能，在高速铁路接触网、引线框架和连接器等应用领域中得到了广泛应用。然而，由于其在实际使用过程中所处的复杂环境，该合金常常出现腐蚀失效的问题。为了提升其耐腐蚀性能，研究人员采用超声表面滚压处理（USRT）和喷丸处理（SP）对CuNiSi合金表面进行了处理，并成功在合金表面形成了纳米晶层。通过分析处理后的表面微观结构、硬度和残余应力，研究发现USRT和SP处理并未改变合金表面的相组成，而是引入了大量的变形孪晶和位错，从而实现了显著的晶粒细化。与未经处理的样品相比，经过USRT和SP处理的样品表现出更高的表面硬度和残余压应力。电化学测试结果表明，在3.5% NaCl溶液中，USRT和SP处理的样品具有显著增强的耐腐蚀性能，这可以归因于高密度晶界和残余压应力所引入的稳定氧化膜。

在实际应用中，CuNiSi合金经常暴露在腐蚀性环境中，尤其是在高速铁路接触网等应用中，酸性气体如二氧化硫（SO?）、氟化氢（HF）和氮氧化物（NO?）的存在使得材料面临更严峻的腐蚀挑战。因此，进一步提升该合金的耐腐蚀性能已成为亟待解决的问题。目前，改善金属材料微观结构和提升其耐腐蚀性能的常用技术包括添加合金元素和热处理。已有研究表明，通过添加钼（Mo）和硼（B）等元素，可以显著提高CuNi合金的耐腐蚀性能。此外，一些研究还发现，通过喷丸和退火处理，可以增强合金的晶界稳定性，从而提升其耐腐蚀能力。然而，实际应用中腐蚀往往首先发生在材料表面，因此，提升材料表面的耐腐蚀性能是改善整体耐腐蚀性的关键。

表面处理技术对合金的微观结构和性能具有显著影响，尤其是在提升其耐腐蚀能力方面，引起了全球学者的广泛关注。例如，有研究发现，对ZrTiNb合金进行超声冲击处理（UIT），可以在单点冲击能量模式下显著增加表面应变能和位错密度，从而促进形成更致密和均匀的氧化膜。此外，对不锈钢进行超声喷丸（UP）和重喷丸（SSP）处理的研究也表明，表面晶粒细化和应变诱导马氏体可以显著改善其在NaCl溶液中的腐蚀性能和钝化能力。另一项研究通过USRT技术在CuCr合金表面制备了厚度为300微米的梯度纳米层，分析发现当滚压深度为0.15毫米时，该纳米层具有最佳的整体性能，尤其是耐腐蚀能力。还有研究发现，对镍铝青铜（NAB）合金进行喷丸处理后，其表面的快速氧化膜形成与表面微观结构的细化和均匀化有关，从而促进均匀腐蚀的发生，显著提升了其耐腐蚀性能。

尽管已有大量研究探讨了表面处理技术对合金耐腐蚀性能的影响，但针对CuNiSi合金的具体影响机制仍需进一步明确。基于此，本文采用USRT和SP处理对CuNiSi合金表面进行了处理，并对处理后的表面微观结构、硬度和残余应力进行了分析，同时结合电化学测试结果，探讨了其对耐腐蚀性能的影响机制。

实验材料为商用热轧CuNiSi合金（Cu-2.34Ni-0.464Si-0.314Cr）板，厚度为21毫米。首先对其进行时效处理，温度为440摄氏度，持续时间为14小时。时效处理完成后，选择沿着轧制方向的纵向截面作为表面处理对象。表面处理分别采用USRT和SP技术进行。USRT处理是在超声表面滚压机上进行，该设备包含特定的滚压装置，能够通过高频振动和滚压作用对材料表面施加机械能，从而实现晶粒细化和表面结构优化。SP处理则是通过高速喷射金属颗粒对材料表面进行冲击，从而产生塑性变形，形成纳米晶层。两种处理方式均对材料表面的微观结构产生了显著影响，同时对表面硬度和残余应力也带来了改善。

通过显微结构表征发现，经过USRT和SP处理的样品表面晶粒明显细化，这主要是由于在处理过程中发生了严重的塑性变形，从而产生了大量的变形孪晶和剪切变形带。变形孪晶和剪切变形带与位错和晶界相互作用，进一步促进了晶粒的细化。此外，电化学测试结果表明，处理后的样品在3.5% NaCl溶液中表现出更高的耐腐蚀性能。这种提升可以归因于高密度晶界和残余压应力所形成的稳定氧化膜。氧化膜的形成是提高材料耐腐蚀性能的重要因素，因为它能够有效阻止腐蚀介质与基体材料的直接接触，从而减少腐蚀反应的发生。

在腐蚀行为方面，CuNiSi合金在NaCl溶液中的腐蚀主要涉及氧化还原反应。在阴极反应过程中，氧气和水分子发生反应，生成羟基离子，这一过程在文献中被描述为方程式（8）。而在阳极反应过程中，铜元素发生溶解，形成氯化铜离子，这一过程在文献中被描述为方程式（9）。氯化铜离子在NaCl溶液中进一步发生水解反应，生成氧化铜，这一过程在文献中被描述为方程式（10）。值得注意的是，氧化铜作为一种p型半导体，无法稳定存在，因此在实际应用中，它可能作为中间产物被进一步转化。

通过电化学测试，研究人员发现，USRT和SP处理能够有效提升CuNiSi合金的耐腐蚀性能。处理后的样品表面形成了更加致密和均匀的氧化膜，这不仅提高了材料的表面硬度，还增强了其对腐蚀介质的抵抗能力。氧化膜的形成与材料表面的晶粒细化和残余压应力密切相关，这些因素共同作用，使得氧化膜更加稳定，从而减缓腐蚀反应的进行。

在结论部分，本文总结了USRT和SP处理对CuNiSi合金表面的影响。处理后的样品表面晶粒明显细化，同时形成了大量的变形孪晶和位错，这些结构的变化显著提升了材料的表面硬度。此外，处理后的样品表面还出现了残余压应力，这有助于形成更稳定的氧化膜，从而增强其耐腐蚀性能。通过系统研究，本文揭示了USRT和SP处理对CuNiSi合金表面微观结构、硬度、残余应力和耐腐蚀性能的影响机制，为今后提升该合金在复杂环境下的应用性能提供了理论依据和技术支持。

本文的研究成果表明，表面处理技术在提升合金耐腐蚀性能方面具有重要作用。通过USRT和SP处理，可以有效改善材料表面的微观结构，增强其硬度和残余应力，从而形成更稳定的氧化膜。这些改进措施不仅能够延长材料的使用寿命，还能够提高其在恶劣环境下的可靠性。未来的研究可以进一步探讨不同处理参数对材料性能的影响，以及如何在不同应用条件下优化处理工艺，以实现最佳的耐腐蚀效果。此外，还可以结合其他表面处理技术，如激光表面处理、化学镀等，进一步拓展材料表面改性的方法，为开发新型耐腐蚀合金提供更多的可能性。