超声波表面滚压处理和喷丸处理对CuNiSi合金表面微观结构及腐蚀行为的影响

《Applied Surface Science》：Influence of ultrasonic surface rolling treatment and shot peening on surface microstructure and corrosion behavior of CuNiSi alloy

CuNiSi合金表面经超声表面滚压（USRT）和喷丸（SP）处理后，形成纳米晶层并显著提升腐蚀电阻。微观分析显示处理层产生大量变形孪晶和位错，晶粒细化使表面硬度提高，残余压应力增强。电化学测试表明，高密度晶界和残余压应力促进稳定氧化膜形成，有效抑制3.5wt% NaCl溶液中的腐蚀。

　　CuNiSi合金因其优异的强度和导电性，在高速铁路接触网、引线框架和连接器等应用领域中被广泛应用。然而，由于其在实际应用中所处的复杂环境，该合金常常面临腐蚀失效的问题。为此，本研究通过超声表面滚压处理（USRT）和喷丸处理（SP）技术对CuNiSi合金表面进行改性，成功在合金表面制备出纳米晶层。同时，对表面层的微观结构、硬度和残余应力进行了表征。实验结果表明，USRT和SP处理并未改变合金表面的相组成，但引入了大量的变形孪晶和位错，从而显著细化了晶粒。经过USRT和SP处理的样品表现出比未经处理样品更高的表面硬度和残余压应力。电化学测试结果进一步显示，这些处理后的样品在3.5%的NaCl溶液中表现出显著增强的耐腐蚀性能，其原因可以归结为高密度晶界和残余压应力共同作用下形成的稳定氧化膜。

在高速铁路接触网等关键基础设施中，CuNiSi合金的耐腐蚀性能直接关系到其使用寿命和运行安全性。近年来，随着高速铁路网络的不断扩展，接触网所处的环境日益复杂，伴随着酸性气体如二氧化硫（SO?）、氢氟酸（HF）和氮氧化物（NO?）的腐蚀作用，进一步提升CuNiSi合金的耐腐蚀性能已成为亟需解决的问题。在实际应用中，腐蚀往往首先发生在材料的表面，因此，提高合金表面的耐腐蚀能力是改善整体耐腐蚀性能的关键。

目前，调节金属微观结构和提升耐腐蚀性能的常见方法包括添加合金元素和热处理。例如，Hou等人通过在CuNi合金中添加钼（Mo）和硼（B）元素，发现合金的耐腐蚀性能显著提升。Mao等人研究了冲压和退火处理对CuNi合金耐腐蚀性能的影响，发现合金的晶界变得更加稳定，从而显著提高了其耐腐蚀性能。然而，这些方法主要针对材料内部的结构调控，对于表面腐蚀的改善效果有限。因此，研究表面处理技术对合金表面性能的影响，特别是其耐腐蚀能力的提升机制，显得尤为重要。

近年来，超声表面滚压处理（USRT）和喷丸处理（SP）等表面处理技术在提升合金耐腐蚀性能方面引起了广泛关注。Chenakin等人研究了超声冲击处理（UIT）对ZrTiNb合金表面的影响，发现单点冲击能量模式下，合金表面的应变能和位错密度显著增加，从而促进了更致密和均匀的氧化膜形成。Mordyuk和Ebrahimzadeh等人则研究了经过超声喷丸（UP）和严重喷丸（SSP）处理的不锈钢材料，发现表面晶粒细化和应变诱导马氏体的形成显著提升了其在NaCl溶液中的耐腐蚀性能和钝化能力。Li等人通过USRT技术在CuCr合金表面制备了厚度为300微米的梯度纳米层，并对纳米层的微观结构和耐腐蚀性能进行了研究。结果表明，当滚压深度为0.15毫米时，表面梯度纳米层表现出最佳的综合性能，尤其是在耐腐蚀方面。Lv等人则研究了SP处理对镍铝青铜（NAB）合金耐腐蚀性能的影响，发现经过SP处理后，NAB合金表面快速形成氧化膜的原因在于表面微观结构的细化和均质化，这促进了均匀腐蚀的发生，从而显著提高了其耐腐蚀性能。

上述研究均表明，表面处理技术可以有效改善合金的耐腐蚀性能，但针对CuNiSi合金的具体影响机制仍需进一步探讨。基于此，本研究采用USRT和SP技术对CuNiSi合金表面进行处理，并对其表面层的微观结构、硬度和残余应力进行了系统分析，同时结合电化学测试，探讨了这些处理对合金耐腐蚀性能的影响机制。

在实验材料方面，本研究使用的是商用热轧CuNiSi合金板（成分：Cu-2.34Ni-0.464Si-0.314Cr），厚度为21毫米。首先对合金板进行了时效处理，温度为440摄氏度，持续时间为14小时。随后，选取样品沿轧制方向的纵向截面进行表面处理。表面处理分别采用USRT和SP两种方式进行。其中，USRT处理是在超声表面滚压机上进行的，通过高频振动和滚压作用，对合金表面施加强烈的塑性变形。而SP处理则是通过高速喷射金属颗粒对合金表面进行冲击，使其产生塑性变形和表面强化。这两种处理方式均能在合金表面引入大量的位错和变形孪晶，从而实现晶粒细化和表面性能的改善。

在表面层的微观结构表征方面，通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察发现，经过USRT和SP处理后的样品表面晶粒显著细化。这主要是由于在处理过程中，合金表面经历了强烈的塑性变形，导致了大量变形孪晶和剪切变形带的形成。这些变形孪晶和剪切变形带与位错和晶界相互作用，使得表面结构变得更加复杂和紧密。同时，通过X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）等手段进一步验证了晶粒细化的实际情况。

在硬度测试方面，采用维氏硬度计对处理后的样品进行了测试。结果显示，经过USRT和SP处理的样品表面硬度明显高于未经处理的样品。这主要是由于处理过程中引入的位错和变形孪晶使得材料的晶格结构更加致密，从而提高了其硬度。此外，残余应力的测定采用X射线衍射法，结果表明，处理后的样品表面存在显著的残余压应力，这种应力能够有效抑制裂纹的萌生和扩展，从而进一步提升材料的力学性能。

在电化学测试方面，采用电化学工作站对样品在3.5%的NaCl溶液中的耐腐蚀性能进行了测试。测试结果表明，经过USRT和SP处理的样品表现出显著增强的耐腐蚀能力。这主要是由于处理过程中形成的高密度晶界和残余压应力共同作用，使得表面形成了更稳定和致密的氧化膜。这种氧化膜能够有效阻挡腐蚀介质的渗透，从而延缓腐蚀过程的发生。

通过以上实验结果可以看出，USRT和SP处理对CuNiSi合金表面性能的改善具有显著效果。处理后的样品不仅表现出更高的表面硬度和残余压应力，而且在NaCl溶液中的耐腐蚀性能也得到了明显提升。这些结果为CuNiSi合金在复杂环境下的应用提供了理论依据和技术支持。未来，可以进一步研究不同处理参数对合金表面性能的影响，以期获得更优的处理效果。此外，还可以探索将USRT和SP处理与其他表面处理技术相结合，以实现更全面的表面性能优化。这将有助于推动CuNiSi合金在高速铁路接触网等关键领域的应用和发展。