1、引 言

鈦合金因其優異的性能，如高比強度、優異的熱穩定性和良好的耐腐蝕性等，在航空航天領域得到了廣泛的應用 [1]。其中，TA15 鈦合金作為近 α 型鈦合金，是一種重要的航空材料 [2], 被廣泛應用于飛機結構件的制造。隨著我國飛機在海上執行任務越來越頻繁，受海洋大氣環境影響，機體部件易發生電化學腐蝕 [3]。同時，在運行過程中受外物影響，部件表面易損傷導致失效。因此，提高材料表面硬度與耐蝕性能對抑制部件失效至關重要。

目前可以通過表面強化技術來改善金屬表面性能，其中包括超聲滾壓 (USRP)[4]、噴丸 (SP)[5]、超音速微粒轟擊 (SFPB)[6]、激光沖擊強化 (LSP)[7] 等。激光沖擊強化 (LSP) 是利用高功率的脈沖激光誘導形成的等離子沖擊波對金屬材料進行表面強化。利用沖擊波使合金以極高應變率產生冷塑變形，細化表層組織，并引入殘余壓應力，顯著改善材料的表面性能 [8]。與其他表面處理工藝相比，具有高效、可控、精確等優點，可以引入較大的殘余壓應力，且不會破壞材料表面完整性等獨特優勢 [9,10]。近年來，通過 LSP 對鈦合金進行表面強化的研究眾多。例如：Nie 等人 [11] 發現 LSP 處理后 TC11 鈦合金表層形成厚度為 1500μm 的塑性變形層，同時表面產生高幅值殘余壓應力。Yang 等人 [12] 對 LSP 處理后 Ti-6Al-4V 鈦合金進行研究，發現 LSP 導致殘余壓應力產生，表層晶粒細化。通過細晶強化使得 Ti6Al-4V 鈦合金硬度得到提升。孟憲凱等人 [13] 采用雙脈沖激光沖擊強化對 Ti6Al4V 鈦合金進行處理發現，在試樣中形成了細晶 - 粗晶 - 細晶的組織結構。與未處理試樣相比顯微硬度提升了 16.7%, 強度顯著提升的同時伸長率基本不變。Jin 等人 [14] 研究發現，激光沖擊強化后，增材制造的 TC4 試樣表面硬度增加了約 11%。Luo 等人 [15] 研究了激光沖擊強化對 Ti80 合金組織和腐蝕性能的影響，經 LSP 處理后，不同組織的 Ti80 合金表面晶粒均得到細化，顯微硬度顯著提高，產生了殘余壓應力，且顯微硬度和殘余壓應力沿層深均呈現出梯度變化特征，耐蝕性提升。Angshuman 等人 [10] 對激光焊接純鈦樣品進行激光沖擊強化，發現由于激光沖擊后塑性變形產生大量的殘余壓應力，導致應變硬化和組織的變化，亞表層熔合區的顯微硬度提高了約 26%, 由于殘余壓應力較高，晶粒細化，耐蝕性也得到了提高。

上述研究表明，激光沖擊強化處理可以有效提高多類鈦合金的表面硬度以及耐腐蝕性能，但對激光沖擊強化前后 TA15 鈦合金的組織調控和腐蝕行為研究并未涉及。此外，通過處理鈦合金可以形成多種變形能力不同的組織 [16]。因此本研究通過 LSP 對等軸組織和網籃組織 TA15 鈦合金進行表面強化處理，并對表面改性后不同組織 TA15 鈦合金的微觀組織演變和腐蝕行為進行深入研究以及對比分析，探求激光沖擊強化對不同組織 TA15 鈦合金耐腐蝕性能的影響，為提高 TA15 鈦合金的耐腐蝕性能提供理論依據和技術支持。

2、材料與方法

2.1 材料制備

實驗所用材料為成分如表 1 所示的厚度為 2 mm 板狀 TA15 鈦合金。將試樣進行 920℃下退火 2 h 處理和 1010℃下退火 1 h 處理，然后空冷至室溫，分別得到等軸組織和網籃組織，如圖 1 所示。利用 Image J 軟件對兩種組織的 TA15 鈦合金中的 β 相含量進行統計，得出等軸組織和網籃組織中 β 相的含量分別為 34.8% 和 23.4%。通過線切割制備出尺寸為 (10 mm (L)×10 mm (W)×2 mm (H)) 腐蝕試樣。

表 1 TA15 鈦合金的化學成分（w%）Table 1 Chemical composition of TA15 titanium alloy (w%)

2.2 激光沖擊處理與表面表征

TA15 鈦合金進行 LSP 實驗時，使用 YS80-R200A 型激光沖擊強化設備，具體參數列于表 2。處理過程中使用黑膠帶作為吸收層，純水作為約束層，沖擊 1 次。

表 2 LSP 處理參數 Table 2 LSP processing parameter

采用 D8 ADVANCE 型 X 射線衍射儀 (XRD) 進行物相分析。使用金相顯微鏡 (OM) 對 LSP 處理前后不同組織的橫截面進行微觀組織觀察。將試樣機械研磨到 50 μm 左右，從中沖壓出尺寸為 ?3 mm 的小圓片并進行單、雙面減薄，用 JEM-2100 透射電子顯微鏡 (TEM) 進行表層和次表層 (距表面約 25μm) 組織觀察。使用 Nanofocus AG 的三維形態測量儀測量樣品的表面粗糙度 (Sa)。

2.3 力學性能測試

使用 MH-3 型顯微硬度計測定試樣的顯微硬度。首先，測量不同組織 LSP 處理前后試件表面的顯微硬度。其次，以 20 μm 的間距測量了從表面到基材深度方向上顯微硬度的分布。

采用 X 射線殘余應力測試儀測量 LSP 處理前后 TA15 鈦合金深度方向殘余應力分布。采用腐蝕劑逐層剝落，在每個表面進行三次測量，取平均值。試驗的具體參數為：CuKα 射線源，α(213) 衍射晶面，傾側角選取 0°、15°、30°、45°,27 kV 的 X 射線管電壓，7 mV 的管電流，4 mm 的管直徑。

2.4 電化學測試

借助 Autolab PGSTAT128N 電化學工作站。電解液使用 3.5% NaCl 溶液。使用三電極體系，TA15 鈦合金、石墨和飽和甘汞分別作為工作、輔助和參比電極。在測試之前，將試樣在 3.5% NaCl 中浸泡 2 h, 以獲得表面相對穩定的鈍化膜。電化學阻抗譜 (EIS) 測量時頻率范圍為 10?2 至 105 Hz。用 Zsimpwin 軟件擬合 EIS 譜。以 0.001 V/s 的掃描速率在 - 0.25V - +0.6V (vs OCP) 區間內進行動電位極化 (PDP) 測試。通過重復至少三次的實驗來檢查結果的準確性。

2.5 靜態浸泡試驗

將暴露面積為 1 cm2 的 TA15 鈦合金試樣在 5M 的 HCl 溶液中浸泡 10 天。以 2 天為周期進行腐蝕試樣的清洗稱重和腐蝕溶液的更換。使用能譜儀 (EDS) 評估不同組織 LSP 處理前后腐蝕產物的元素組成，結合掃描電子顯微鏡 (SEM) 觀察腐蝕形貌。

3、分析與討論

3.1 XRD

圖 2 為激光沖擊前后 TA15 鈦合金表面的 X 衍射圖譜。從圖 2 (a,b) 中可以看出 LSP 處理前后沒有出現新的衍射峰，表明無新相產生沒有發生相變。從 60°- 80° 局部放大圖中可以明顯看出 LSP 處理后衍射峰展寬。衍射峰展寬是微觀應變和晶粒細化共同作用的結果 [19]。根據 Williamson-Hall [18] 方法，通過將 βcosθ=ε(4sinθ)+Kλ/D 公式類比為線性方程式: Y=mX+c , ε 對應斜率 m , Kλ/D 則對應截距 c 。公式中 β 代表半高寬，θ 為衍射角，ε 代表微觀應變，Κ 為常數 0.89, λ 為 X 射線波長 0.15406 nm,D 為平均晶粒尺寸。使用 Jade 軟件對不同狀態試樣衍射峰對應的半高寬 β 和衍射角 θ 值進行統計，將數據導入 Origin 進行線性擬合，擬合出的斜率 m, 即為微觀應變，進而計算出相應的晶粒尺寸。最終得出等軸組織和網籃組織試樣在 LSP 后微觀應變分別為 2.866×10?3 和 2.824×10?3 , 相比于未處理試樣的微觀應變分別增加至 1.23 倍和 1.2 倍，晶粒尺寸分別細化至 22.5 nm 和 23.8 nm。同時衍射峰向左偏移了一定角度，表明 TA15 鈦合金在在高能量沖擊波作用下，發生晶格畸變導致位錯密度增加并且引入了殘余應力 [17]。此外還觀察到 LSP 處理后 α(112) 和 α(201) 相鄰衍射峰出現了重疊和展寬現象，這歸因于晶粒細化、晶格變形和微應力的增加 [20]。

3.2 橫截面形貌觀察

圖 3 顯示了 TA15 鈦合金經 LSP 處理后不同組織橫截面 OM 組織形貌。結果表明，兩種組織橫截面均出現變形層。對于等軸組織，有厚度為 41 μm 的嚴重塑性變形區，該區域顏色較深，α 相尺寸減小，局部等軸晶粒被拉長。網籃組織的嚴重塑性變形層的深度為 33 μm, 該區域 α 片層的間距小至不易分辨，隨著距表面距離的增加，呈現出的 α 片層的間距逐漸與初始組織間距一致。兩種組織相比，等軸組織試樣的嚴重塑性變形層層深更大，強化效果更加明顯。

3.3 TEM 觀察

LSP 產生的高能高壓沖擊波會導致材料表層發生嚴重的塑性變形，從而改變近表面區域的微觀結構。LSP 后，組織中萌生大量位錯，通過聚集形成高密度位錯。激光沖擊波在邊界和缺陷處的反射和折射會產生多向載荷，這將改變晶粒內部與之間的滑移方向，造成位錯在多個滑移系中相互作用，形成位錯纏結 [21], 如圖 4 (a,c)。通過進一步的位錯運動、增殖和相互作用形成位錯墻。在動態回復的作用下發展為亞晶界，實現晶粒的細化，如圖 4 (b,d)。此外，在圖 4 (d) 的實線橢圓區域，片狀 β 相出現斷裂現象，這可能是片狀 β 相正好垂直于沖擊波作用方向，造成 β 相斷裂 [22]。

圖 5 (a,c) 分別為等軸組織和網籃組織的明場相和暗場相。從圖中可以看出鈦合金的組織形態完全消失，晶粒發生嚴重碎化，晶界不易區分。從圖 5 (a,c) 右上角選區電子衍射 (SEAD) 圖中觀察到一系列不同半徑的較為連續的同心圓環，表明表層晶粒已細化為納米晶，且具有隨機的晶體取向。對等軸組織和網籃組織的衍射環進行對比，等軸組織的衍射環更為連續，表明晶粒尺寸更小。為了進一步分析 LSP 后等軸組織和網籃組織的晶粒尺寸分布，利用 Image J 軟件對多幅暗場圖像進行統計，得到對應納米晶粒的尺寸分布。圖 5 (b,d) 右上角的給出了兩種組織的晶粒分布直方圖。結果表明，等軸和網籃組織的平均晶粒尺寸分別為 30.5 nm 和 35.5 nm。由于 XRD 可以區分取向差較小的亞晶粒，因此 XRD 對應的晶粒尺寸更小 [23]。

等軸組織和網籃組織 TA15 鈦合金均是由位錯分割機制實現晶粒細化。由于 LSP 技術具有超高應變率特點，在使位錯密度增加的同時相鄰亞結構間的取向差也會被提高 [24]。隨著變形程度達到一定值后，進一步變形受到劇烈約束，部分具有特定約束和幾何條件下的位錯在晶粒內形成具有分割功能的位錯墻。隨著變形持續加劇，原始粗晶被高密度的位錯墻圈成的亞結構取代，亞結構吸收周圍位錯進而達到細化晶粒的效果。

3.4 表面粗糙度

圖 6 為不同組織的 TA15 鈦合金 LSP 處理前后的三維表面形貌圖。LSP 前試樣表面有紅色均勻的流線形特征 (圖 6 (a,b)), 這是試樣在磨削過程中留下的均勻且方向趨于一致劃痕，而 LSP 后的試樣表面紅色痕跡變淺 (圖 6 (c,d)), 同時等軸組織的平均表面粗糙度 Sa 由 2.556 μm 下降到 1.544 μm, 網籃組織的平均表面粗糙度 Sa 由 2.603 μm 下降到 1.836 μm。這可能是由于高能、高壓的沖擊波垂直作用于材料表面，表面發生塑性流變，使得整個受沖擊表面均勻性得以提高，粗糙度減小。

3.5 顯微硬度

不同組織 TA15 鈦合金顯微硬度隨深度的變化如圖 7 所示。LSP 處理前隨著深度的增加等軸組織和網籃組織的顯微硬度沒有明顯變化，平均顯微硬度分別為 341.3 HV 和 372.9 HV。LSP 處理后等軸組織和網籃組織的表層顯微硬度分別提高了 16.7% 和 15.7%, 達到了 398.3 HV 和 431.6 HV。在 LSP 過程中，TA15 鈦合金發生嚴重塑性變形，位錯大量增殖，導致高密度位錯和晶粒細化。根據強化機制，位錯密度的增加提高了位錯運動的阻力，進而導致加工硬化；此外，晶粒細化造成晶界增加，晶界間的結合力增加 [25]。兩種強化作用導致了顯微硬度的提高。LSP 處理后，TA15 鈦合金顯微硬度隨深度的增加呈逐漸減小的趨勢。這是由于激光沖擊波的能量逐漸衰減，造成兩種強化效果減弱。

3.6 殘余應力

激光沖擊波會使材料表面產生嚴重的塑性變形，使晶格發生畸變，從而在材料表面形成較大的殘余壓應力 [26]。圖 8 為經過 LSP 處理后 TA15 鈦合金的殘余應力深度分布。LSP 處理后，等軸組織和網籃組織表層都產生了高幅值的殘余壓應力。其中，等軸組織表層的殘余壓應力達到了 - 325 MPa, 殘余壓應力層深度約為 85 μm, 網籃組織表層的殘余壓應力達到了 - 279 MPa, 殘余壓應力層深度約為 73 μm。由于隨著距表層距離的增加，塑性變形程度隨之降低，所產生的殘余壓應力呈梯度減小。此外，由于等軸組織由均勻分布的等軸 α 相和 β 相組成，晶粒細小均勻，具有較高的塑性變形能力，而網籃組織是經 β 高溫退火，在加熱過程中 α 相全部轉化成 β 相，且晶粒迅速長大，粗大的晶粒不利于材料塑性變形 [27]。兩者相比等軸組織的塑性變形能力更強，在相同激光沖擊處理條件下更容易發生塑性變形，造成晶格畸變，儲存了畸變能更大，因此誘發形成更高的殘余壓應力。

3.7 動電位極化曲線

為了分析 LSP 處理對 TA15 鈦合金耐蝕性的影響，進行了動電位極化測試。圖 9 為 LSP 處理前后的 TA15 鈦合金的動電位極化曲線圖。

測試的各個狀態的 TA15 鈦合金的極化曲線的形狀相似，表明 TA15 鈦合金的電化學反應機理并未因組織和 LSP 處理而發生改變。從陽極分支可知，初始階段由于 TA15 鈦合金表面鈍化膜被破壞，鈦基質直接發生了活性溶解，導致極化曲線呈現出隨著腐蝕電位正移，腐蝕電流密度迅速增大的趨勢 [28,29]:

Ti+H2O→TiO+2H++2e?(1)

Ti+3H2O→TiO(OH)2+2H++2e?(2)

隨后腐蝕電位繼續增大到一定值后進入鈍化區，該區域腐蝕電流基本保持不變，這是由于在 TA15 鈦合金表面形成了新的鈍化膜 [30]:

4TiO+2H2O?4e?→2Ti2O3+4H+(3)

Ti2O3+4OH?→2TiO(OH)2+H2O+4e?

TiO(OH)2→TiO2+H2O(5)

通過 Tafel 外推法可以計算出腐蝕電位，腐蝕電流密度。表 3 給出了不同狀態 TA15 鈦合金極化曲線對應的參數值。腐蝕電位只是反映了材料發生腐蝕可能性的趨勢，而不能代表腐蝕速率的快慢 [32]。而材料的腐蝕速率與腐蝕電流密度有關，腐蝕電流密度越大，腐蝕速率越快 [32]。腐蝕電流密度值越小，表明合金表面氧化膜致密性越好，耐腐蝕性能越好 [33]。對于所研究的兩種組織，LSP 處理前，等軸組織的腐蝕電流密度與網籃組織相比較小，因此網籃組織的耐蝕性較差。LSP 處理后，兩種組織的腐蝕電流密度值均減小，表明 LSP 后 TA15 鈦合金的耐蝕性得到提高。同時還發現網籃組織的腐蝕電流密度減小程度遠大于等軸組織。β 相具有更好的耐蝕性，其含量越多，相應的耐蝕性能越好 [31]。此外，當鈦合金同時含有 α 和 β 兩相時，在發生腐蝕的過程中會產生原電池效應。由于片狀 α 相和 β 相電極微觀結構中標準平衡勢不同，片狀 α 相的增多會增加原電池形成的概率，形成更多微原電池，導致加速腐蝕 [35]。LSP 前，相比等軸組織，網籃組織中 β 相的含量低，且含有大量的片層 α 相，會造成更多微原電池的形成，加速材料腐蝕。在這兩種因素的共同影響下，網籃組織的耐蝕性遠小于等軸組織，相應的腐蝕電流密度表現出較大的差異，此時腐蝕電流相差較大是由于組織形態存在差異造成的。而 LSP 處理后的兩種組織 TA15 鈦合金表層晶粒發生嚴重碎化，掩蓋了鈦合金原有的組織形貌，表層晶粒尺寸均達到納米級。此時影響 TA15 鈦合金腐蝕性能的主要因素轉變為 LSP 后形成的納米結構，兩種組織之間差異不明顯，最終造成耐蝕性相近，即腐蝕電流相差較小。因此腐蝕電流密度降低程度表現為網籃組織遠大于等軸組織。同時從圖 9 也可以看出，所有試樣的極化曲線中都出現了鈍化區。鈍化區的出現，表明合金試樣暴露在腐蝕介質中時鈍化膜可以在試樣表面自然形成 [36]。鈍化區所對應的陽極電流密度可以用來反映鈍化膜的溶解，鈍化膜抵抗腐蝕介質能力越強，則溶解速度越小，相應的鈍化電流越小。LSP 處理后，兩種組織的鈍化電流密度都減小，表明試樣表面的鈍化膜溶解速率降低，抵抗腐蝕的能力增強。

表 3 不同狀態 TA15 鈦合金的動電位極化曲線參數 Table 3 PDP curve parameters of TA15 titanium alloy in different states

為了進一步研究激光沖擊強化對 TA15 鈦合金電化學性能的影響，進行了電化學阻抗譜的測試。圖 10 為 TA15 鈦合金在 3.5% NaCl 溶液中的 EIS 以及相對應的擬合直線。

圖 10 中，測試的所有試樣都顯示出相似的電容阻抗環，表明腐蝕機制并沒有因組織結構和強化處理而發生改變。電容阻抗環的半徑越大，相應的耐蝕性能越好 [37]。初始狀態的兩種組織中，等軸組織測得的電容阻抗環的半徑相對較大，其耐蝕性能好。LSP 處理后，兩種組織的電容阻抗環半徑顯著增大。在圖 10 (b) 的 Bode 圖中，LSP 處理后，在低頻范圍內兩種組織的阻抗幅值顯著增大，低頻區的阻抗幅值越大，耐腐蝕性能越好。同時相位角曲線可以看出最大相位角增大，并且出現的相位角平臺展寬。再次表明 LSP 處理后 TA15 鈦合金的耐蝕性得到提升。

測試的所有試樣的相位角圖在一定頻率范圍內都出現了一個較寬的平臺，這種特征的出現可能與鈦合金表面形成的鈍化膜的雙層結構有關 [38]。致密內層和多孔外層構成鈍化膜雙層結構 [39-41]。因此選用圖 11 所示的等效電路進行擬合，結果列于表 4。該電路中 Rf 和CPEf 分別為外層的電阻和電容；Rct 和 CPEdl 分別為內層的電阻和電容；Rs 為溶液電阻。由于電極表面存在缺陷，一般采用 CPE 代替純電容 [42,43]。通常χ2被用來評價擬合質量。χ2的值在 10?3?10?4 范圍內，說明實驗結果與相應的等效電路吻合較好 [44]。從表 4 可知，TA15 鈦合金的內阻擋層的電阻值顯著大于多孔外層的電阻值，表明對合金的腐蝕保護主要依靠內阻擋層 [29]。LSP 處理后試樣的電容值降低，表明耐蝕性提高。極化電阻 ( Rp ) 被用來評價材料的耐蝕性，Rp 越大相應的耐腐蝕性能越好 [46]。Rp 可以用以下公式計算，即 Rp=Rf+Rct 。通過計算得出，極化電阻的從小到大依次為：未處理的網籃組織 < 未處理等軸組織 < LSP 處理后網籃組織 < LSP 處理后等軸組織，很好的與極化曲線結果相對應。

表 4 等效電路參數 Table 4 Equivalent circuit parameters

LSP 處理后，兩種組織的 TA15 鈦合金試樣的表面粗糙度降低，表層晶粒細化，且產生了高幅值的殘余壓應力。相關研究表明，隨著表面粗糙度的增加，腐蝕的有效面積增加，使耐腐蝕性能變差 [46]。粗糙度越小，活性面積越小，使得腐蝕速率越低，耐腐蝕性能越好。由于鈍化膜的形成包含形核和長大，形核通常發生在高能缺陷處，如晶界 [47]。晶粒細化導致晶界增加，使鈍化膜的形核位點顯著增加。致密的形核位點可以減小鈍化膜在整個表面的橫向生長距離 [48]。因此，晶粒細化可以加速鈍化膜的形成，進而改善耐蝕性。在鈦合金與腐蝕離子接觸后，表面會迅速形成一層連續致密的氧化膜，這使得鈦合金在許多腐蝕條件下都表現出很高的耐腐蝕性 [49]。一旦鈍化膜遭到破壞，腐蝕速率會迅速增加，表面殘余壓應力的出現會使鈍化膜致密性增加，不易被破壞。此外，表面產生的高幅值殘余壓應力，延緩了裂紋的萌生，并減緩了腐蝕層裂紋的擴展 [50], 當鈍化膜破損后，LSP 處理后形成的殘余壓應層也可以抑制腐蝕裂紋將進一步向內擴展，提高材料抗腐蝕能力。在表面粗糙度、晶粒細化、殘余壓應力、β 相含量和 α 相形態的共同作用下，表現出等軸組織的耐蝕性優于網籃組織，同時 LSP 后，TA15 鈦合金的耐蝕性得到顯著提升。

3.9 靜態浸沒結果

本文靜態浸泡實驗的主要目的是計算不同組織的 TA15 鈦合金激光沖擊處理前后在 5MHCl 溶液中長時間浸泡后的腐蝕速率，觀察表面形貌和表面化學成分的差異，進而探究 LSP 對 TA15 鈦合金耐蝕性的影響。圖 12 為 TA15 鈦合金在 5MHCl 溶液中的重量損失情況，未處理的等軸組織的重量損失小于網籃組織。經過 LSP 處理后等軸組織的重量損失仍小于網籃組織，但可以明顯看出兩種組織的重量損失相對于未處理的明顯減小。此外，所有試樣的重量損失隨時間都呈線性變化，表明腐蝕速率是恒定的。通過失重法利用公式 (6) 計算腐蝕速率 (CR):

CR=A×T×DK×W

其中 K 為常數 (8.76×104) , W 為浸泡過程中損失的重量 (g),A 為浸泡面積 (cm2) , T 為浸泡時間 (h),D 為試樣密度 (g/cm3) 。結果如圖 13 所示，腐蝕速率的大小遵循未處理的網籃組織 > 未處理等軸組織 > LSP 處理后網籃組織 > LSP 處理后等軸組織的規律。LSP 處理后樣品的腐蝕速率顯著減小。

圖 14 為 TA15 鈦合金在 5MHCl 溶液中浸泡 10 天后的 SEM 圖以及 EDS。圖 14 顯示樣品表面變得不平整，發生了嚴重的腐蝕現象，表面可以看到明顯的腐蝕產物。EDS 圖顯示了各個樣品腐蝕過后檢測到的元素及其含量。所有樣品檢測到的主要元素都是 Ti、O、Al、Zr、Mo, 其中 O 元素的存在表明腐蝕后的樣品表面有一層氧化層，Ti 元素含量同樣遵循未處理的網籃組織 < 未處理等軸組織 < LSP 處理后網籃組織 < LSP 處理后等軸組織的規律。進行 LSP 處理的試樣相比于未處理的試樣 Ti 元素含量增加，表明 LSP 處理的試樣上形成了更加穩定且致密的保護性氧化膜。

如圖 15 所示，不同狀態試樣表面均發生了不均勻腐蝕，α 相優先被溶解，此外 β 相和 α 相之間腐蝕最為嚴重。由于合金元素在 α 相和 β 相中分布不均勻，兩者之間形成了勢差，導致 α 相和 β 相之間的區域發生嚴重腐蝕，即嚴重的晶間腐蝕。圖 15 (a) 顯示初始狀態的等軸組織，表面不平整，有相對深而大的腐蝕坑，腐蝕較為嚴重。在圖 15 (c) 初始狀態的網籃組織中觀察到晶界和相界優先發生嚴重腐蝕，表面的平整度進一步惡化。LSP 處理后的等軸組織，如圖 15 (b), 與初始狀態的等軸組織相比，表面變得平整，腐蝕坑小而淺。LSP 處理后的網籃組織，如圖 15 (d), 晶界和相界腐蝕程度減弱。

4、結 論

本研究對 TA15 鈦合金等軸組織和網籃組織進行了 LSP 處理。對比研究了 LSP 前后試樣微觀組織變化，以及在 3.5% NaCl 和 5MHCl 溶液中的腐蝕行為，最終得到了以下結果:

激光沖擊不改變 TA15 鈦合金的微觀組成，但在高能沖擊波的作用下組織發生塑性變形，由于激光沖擊波的能量隨距表面深度的增加逐漸衰減，導致沿深度方向形成的梯度微觀結構，顯微硬度和殘余壓應力也隨之呈現梯度減小的特征。TA15 鈦合金耐蝕性遵循：網籃組織 < 等軸組織。LSP 處理后，等軸組織和網籃組織的嚴重塑性變形層分別為 41 μm 和 33 μm, 同時表層晶粒尺寸均細化至納米級。晶粒細化，晶界增加，增加了鈍化膜的形核位點，加速鈍化膜的形成，提高 TA15 鈦合金的耐蝕性；表面粗糙度減小，降低了腐蝕速率；同時表層產生的高幅值殘余壓應力延緩了腐蝕裂紋的萌生和擴展，進一步提升了合金的耐蝕性。

參考文獻

[1] Gao P F, Qin G, Wang X X, et al. Dependence of mechanical properties on the microstructural parameters of TA15 titanium alloy with tri-modal microstructure [J]. Materials Science and Engineering: A, 2019, 739: 203-213.

[2] 薛克敏，郭威威，時迎賓，等. TA15 鈦合金多向鍛壓組織和拉伸性能研究 [J]. 稀有金屬材料與工程，2019, 48 (10): 3340-3345. Xue K M, Guo W W, Shi Y B, et al. Microstructure and Tensile Properties of Multi-Directional Forging of TA15 Titanium Alloy [J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2019, 48 (10): 3340-3345.

[3] 原黎明，歐陽文泰，秦秀，等。激光沖擊強化與熱處理復合工藝對 TC4 鈦合金表面性能的影響 [J]. 應用激光，2023, 43 (09): 114-122. Yuan L M, Ouyang W T, Qin X, et al. Effect of Laser Shock Peening and Heat Treatment Composite Process on the Surface Properties of TC4 Titanium Alloy [J]. Applied Laser, 2023, 43 (09): 114-122.

[4] Ao N, Liu D X, Zhang X H, et al. Improved fretting fatigue mechanism of surface-strengthened Ti-6Al-4V alloy induced by ultrasonic surface rolling process [J]. International Journal of Fatigue, 2023, 170: 107567.

[5] Wang Y M, Wang X, Xu C L, et al. Effect of shot peening and nitrogen ion implantation on the fatigue behavior of TA15 titanium alloys [J]. International Journal of Fatigue, 2023, 172: 107649.

[6] Wu Y L, Xiong Y, Liu W, et al. Effect of supersonic fine particle bombardment on microstructure and fatigue properties of Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si titanium alloy at different temperatures [J]. Surface and Coatings Technology, 2021, 421: 127473.

[7] Shadangi Y, Chattopadhyay K, Rai S B, et al. Effect of LASER shock peening on microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of interstitial free steel [J]. Surface and Coatings Technology, 2015, 280: 216-224.

[8] 韓培培，焦清洋，趙棟，等。激光沖擊強化對 TA15 鈦合金小孔結構殘余應力和疲勞性能的影響 [J]. 熱加工工藝，2023, 52 (14): 76-79+84. Han P P, Jiao Q Y, Zhao D, et al. Effect of Laser Shock Peening on Residual Stress and Fatigue Property of TA15 Titanium Alloy with Hole [J]. Hot Working Technology, 2023, 52 (14): 76-79+84.

[9] 廖新隆，蘇波泳，徐碩，等. TC4 鈦合金激光沖擊強化塑性變形流動規律研究 [J]. 中國激光，2023, 50 (16): 151-162. Liao X L, Su B Y, Xu S, et al. Flow Law of Plastic Deformation of TC4 Titanium Alloy by Laser Shock Peening [J]. Chinese Journal of Lasers, 2023, 50 (16): 151-162.

[10] Chattopadhyay A, Muvvala G, Sarkar S, et al. Effect of laser shock peening on microstructural, mechanical and corrosion properties of laser beam welded commercially pure titanium [J]. Optics & Laser Technology, 2021, 133: 106527.

[11] 聶祥樊，何衛鋒，臧順來，等。激光沖擊對 TC11 鈦合金組織和力學性能的影響 [J]. 航空動力學報，2014, 29 (02): 321-327. Nie X F, He W F, Zang S L, et al. Effects on structure and mechanical properties of TC11 titanium alloy by laser shock peening [J]. Journal of Aerospace Power, 2014, 29 (02): 321-327.

[12] 楊濤，周王凡，楊進德，等。激光噴丸對 Ti-6Al-4V 鈦合金中高溫性能影響研究 [J]. 激光技術，2017, 41 (04): 526-530. Yang T, Zhou W F, Yang J D, et al. Effect of laser shot peening on high temperature property of Ti-6Al-4V titanium alloy [J]. Laser Technology, 2017, 41 (04): 526-530.

[13] 孟憲凱，張韓，宋福陽，等。雙脈沖激光沖擊強化 Ti6Al4V 鈦合金微觀組織與拉伸性能研究 [J]. 中國激光，2024, 51 (20): 51-59. Meng X K, Zhang H, Song F Y, et al. Microstructure and Tensile Properties of Ti6Al4V Titanium Alloy by Dual-Pulse Laser Shock Peening [J]. Chinese Journal of Lasers, 2024, 51 (20): 51-59.

[14] Jin X Y, Lan L, Gao S, et al. Effects of laser shock peening on microstructure and fatigue behavior of Ti-6Al-4V alloy fabricated via electron beam melting [J]. Materials Science and Engineering: A, 2020, 780: 139199.

[15] Luo G L, Zhang L F, Xiong Y, et al. Effect of laser shock peening on the corrosion properties of Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo alloy [J]. Surface and Coatings Technology, 2022, 440: 128425.

[16] Jia W J, Zan Y X, Mao C L, et al. Microstructure evolution and mechanical properties of a lamellar near-α titanium alloy treated by laser shock peening [J]. Vacuum, 2021, 184: 109906.

[17] Kumar P, Mahobia G S, Chattopadhyay K. Surface nanocrystallization of β-titanium alloy by ultrasonic shot peening [J]. Materials Today: Proceedings, 2020, 28: 486-490.

[18] Zhou T, Xiong Y, Chen Z G, et al. Effect of surface nano-crystallization induced by supersonic fine particles bombarding on microstructure and mechanical properties of 300M steel [J]. Surface and Coatings Technology, 2021, 421: 127381.

[19] Tang C B, Liu D X, Tang B, et al. Influence of plasma molybdenizing and shot-peening on fretting damage behavior of titanium alloy [J]. Applied Surface Science, 2016, 390: 946-958.

[20] Geng Y X, Mei X S, Wang K D, et al. Effect of laser shock peening on residual stress, microstructure and hot corrosion behavior of damage-tolerant TC21 titanium alloy [J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2018, 27: 4703-4713.

[21] Zhou L C, Li Y H, He W F, et al. Deforming TC6 titanium alloys at ultrahigh strain rates during multiple laser shock peening [J]. Materials Science & Engineering A, 2013, 578: 181-186.

[22] 陳正閣，武永麗，薛全喜，等。激光沖擊強化對片層 TC11 鈦合金組織和性能的影響 [J]. 表面技術，2022, 51 (07): 343-352. Chen Z G, Wu Y L, Xue Q X, et al. Influence of Laser Shock Processing on the Microstructure and Mechanical Properties of TC11 Titanium Alloy Slice Layer [J]. Surface Technology, 2022, 51 (07): 343-352.

[23] Liu Y G, Li M Q, Liu H J. Surface nanocrystallization and gradient structure developed in the bulk TC4 alloy processed by shot peening [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 685: 186-193.

[24] 楊揚，張華。激光沖擊對 TC17 鈦合金微結構和力學性能的影響 [J]. 鋁加工，2022, (01): 68-72. Yang Y, Zhang H. Effects of Laser Shock Processing on Microstructure and Mechanical Properties of TC17 Titanium Alloy [J]. Aluminium Fabrication, 2022, (01): 68-72.

[25] Zhu R, Zhang Y K, Zhang C. Surface residual stress, micro-hardness and geometry of TC6 titanium alloy thin-wall parts processed by multiple oblique laser shock peening [J]. Materials Research Express, 2020, 7 (10): 106526.

[26] 葉鋮潤，孫劍宇，龍應斌，等。非連續式零搭接率復合路徑激光沖擊強化對航空鈦合金 TC4 細節疲勞額定強度截止值的影響 [J]. 中國激光，2024, 51 (20): 60-72. Ye C R, Sun J Y, Long Y B, et al. Effect of a Non-Continuous Composite Path with Zero Overlapping Rate on Cutoff Value of Detail Fatigue Rated Strength of Aerospace Titanium Alloy TC4 Under Laser Shock Peening [J]. Chinese Journal of Lasers, 2024, 51 (20): 60-72.

[27] 林鶯鶯，李建崇。微觀組織對 Ti-6Al-4V-4Zr-1.5Mo 鈦合金靜態力學性能的影響 [J]. 熱加工工藝，2013, 42 (18): 70-73. Lin Y Y, Li J C. Effect of Microstructure on Static Mechanical Properties of Ti-6Al-4V-4Zr-1.5Mo Alloy [J]. Hot Working Technology, 2013, 42 (18): 70-73.

[28] Li J, Lin X, Wang J, et al. Effect of stress-relief annealing on anodic dissolution behaviour of additive manufactured Ti-6Al-4V via laser solid forming [J]. Corrosion Science, 2019, 153: 314-326.

[29] Liu H, Yang J, Zhao X, et al. Microstructure, mechanical properties and corrosion behaviors of biomedical Ti-Zr-Mo-xMn alloys for dental application [J]. Corrosion Science, 2019, 161: 108195.

[30] Li Z, Zhao W, Xiao G, et al. Impact of microstructure evolution on the corrosion behaviour of the Ti-6Al-4V alloy welded joint using high-frequency pulse wave laser [J]. Journal of Materials Research and Technology, 2023, 24: 4300-4314.

[31] 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]. 金屬學報，2019, 55 (08): 967-975. 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 Metallurgica Sinica, 2019, 55 (08): 967-975.

[32] 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 applications [J]. Electrochimica Acta, 2013, 105: 121-129.

[33] Ma J L, Wen J B, Zhu H X, et al. Electrochemical performances of Al-0.5Mg-0.1Sn-0.02In alloy in different solutions for Al-air battery [J]. Journal of Power Sources, 2015, 293: 592-598.

[34] Bai Y, Gai X, Li S, et al. Improved corrosion behaviour of electron beam melted Ti-6Al-4V alloy in phosphate buffered saline [J]. Corrosion Science, 2017, 123: 289-296.

[35] Lu J W, Ge P, Li Q, et al. Effect of microstructure characteristic on mechanical properties and corrosion behavior of new high strength Ti-1300 beta titanium alloy [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 727: 1126-1135.

[36] Gong X J, Cui Y J, Wei D X, et al. Building direction dependence of corrosion resistance property of Ti-6Al-4V alloy fabricated by electron beam melting [J]. Corrosion Science, 2017, 127: 101-109.

[37] 夏雪峰，周建忠，緱延強，等。無吸收層激光噴丸 2024-T351 鋁合金耐腐蝕性能研究 [J]. 中國激光，2024, 51 (12): 112-121. Xia X F, Zhou J Z, Gou Y Q, et al. Corrosion Resistance of 2024-T351 Aluminum Alloy Processed by Laser Peening Without Coating [J]. Chinese Journal of Lasers, 2024, 51 (12): 112-121.

[38] Dai N, Zhang L C, Zhang J, et al. Distinction in corrosion resistance of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy on different planes [J]. Corrosion Science, 2016, 111: 703-710.

[39] Dai N, Zhang L C, Zhang J, et al. Corrosion behavior of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy in NaCl solution [J]. Corrosion Science, 2016, 102: 484-489.

[40] Yang J J, Yang H H, Yu H C, et al. Corrosion behavior of additive manufactured Ti-6Al-4V alloy in NaCl solution [J]. Metallurgical and materials transactions A, 2017, 48: 3583-3593.

[41] Chelariu R, Bolat G, Izquierdo J, et al. Metastable beta Ti-Nb-Mo alloys with improved corrosion resistance in saline solution [J]. Electrochimica Acta, 2014, 137: 280-289.

[42] Luo H, Wang X Z, Dong C F, et al. Effect of cold deformation on the corrosion behaviour of UNS S31803 duplex stainless steel in simulated concrete pore solution [J]. Corrosion Science, 2017, 124: 178-192.

[43] Luo H, Zou S W, Chen Y H, et al. Influence of carbon on the corrosion behaviour of interstitial equiatomic CoCrFeMnNi high-entropy alloys in a chlorinated concrete solution [J]. Corrosion Science, 2020, 163: 108287.

[44] Yang Y, Wang B B, Su B X, et al. Investigation on corrosion behavior of Zr-bearing TA10based titanium alloys [J]. Corrosion Science, 2023, 221: 111354.

[45] Su B X, Wang B B, Luo L S, et al. Tuning microstructure and enhancing corrosion property of Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo alloy through electron beam surface melting [J]. Corrosion Science, 2022, 206: 110520.

[46] Azar V, Hashemi B, Yazdi M R. The effect of shot peening on fatigue and corrosion behavior of 316L stainless steel in Ringer's solution [J]. Surface and Coatings Technology, 2010, 204 (21-22): 3546-3551.

[47] Gu Y X, Jiang J H, Ma A B, et al. Corrosion behavior of pure titanium processed by rotary-die ECAP [J]. Journal of Materials Research and Technology, 2021, 15: 1873-1880.

[48] Gupta R K, Birbilis N. The influence of nanocrystalline structure and processing route on corrosion of stainless steel: A review [J]. Corrosion Science, 2015, 92: 1-15.

[49] Wang X Y, Zhu S D, Yang Z G, et al. Corrosion-resistance mechanism of TC4 titanium alloy under different stress-loading conditions [J]. Materials, 2022, 15 (13): 4381.

[50] Tong Z P, Ren X D, Ren Y P, et al. Effect of laser shock peening on microstructure and hot corrosion of TC11 alloy [J]. Surface and Coatings Technology, 2018, 335: 32-40.