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激光与光电子学进展
Laser&OptoelectronicsProgress
ISSN1006-4125,CN31-1690/TN
《激光与光电子学进展》网络首发论文
题目:激光除锈工艺对EH36船用钢耐腐蚀性能的影响研究
作者:王志歆,杨振,上官剑锋,索旭升,沈新新,周虎,佟艳群,袁爱华
网络首发日期:2022-07-19
引用格式:王志歆,杨振,上官剑锋,索旭升,沈新新,周虎,佟艳群,
除锈工艺对EH36船用钢耐腐蚀性能的影响研究[J/OL].激光与光电子学进展.
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췸싧쫗랢쪱볤ꎺ2022-07-1916:43:17
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激光除锈工艺对EH36船用钢耐腐蚀性能的影响研究
王志歆1,杨振2,上官剑锋3,索旭升1,沈新新2,周虎1,佟艳群3**,袁爱华1*
1江苏科技大学环境与化学工程学院,江苏镇江212100;2上海外高桥造船有限公司,上海
200137;3江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013
摘要激光除锈是解决船用钢表面腐蚀的有效手段,激光除锈参数的不同会导致除锈效果
和耐腐蚀性能的差别,因此有必要系统研究激光除锈后钢表面耐腐蚀性能的变化规律。本文
以EH36船用钢为研究对象,研究激光能量密度和扫描速度等参数对耐腐蚀性能的影响,研
究表面形貌和元素成分的变化,阐明激光参数对腐蚀性能的影响规律,在此基础上确定耐腐
蚀性能最优的激光除锈工艺。研究表明:EH36钢的耐腐蚀性能随激光能量密度和扫描速度
的提高呈现先提高后降低的趋势,在最优参数下钢表面的氧含量符合耐腐蚀要求。当激光能
,激光能量过量烧蚀基底,金属基底的晶粒尺寸变小、晶粒细化,
晶界处活性位点密度变高,有利于金属的溶解,并降低了金属表面腐蚀产物的稳定性,从而
耐腐蚀性能降低。、3000mm/s扫描速度下,EH36钢表面具有
最优的耐腐蚀性,腐蚀电流密度比原始材料降低了57%。
关键词激光除锈;耐腐蚀性能;船用钢板;表面形貌
中图分类号TN249文献标志码A
EffectoflaserrustremovalprocessonthecorrosionresistanceofEH36
marinesteel
WangZhixin1,YangZhen2,ShangguanJianfeng3,SuoXusheng1,ShenXinxin2,ZhouHu1,Tong
Yanqun3*,YuanAihua1*
1SchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering,JiangsuUniversityofScienceand
Technology,Zhenjiang212100,Jiangsu,China
2ShanghaiWaigaoqiaoShipbuildingCoLtd,Shanghai200137,China
3SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,Jiangsu,China
differencesinlaserdescalingparameterswillresultinthedifferencesindescalingeffectand
,itisnecessarytosystematicallystudythechangeincorrosion
,
studiestheinfluenceofparameterssuchaslaserenergydensityandscanningspeedoncorrosion
resistance,studiesthechangesinsurfacemorphologyandelementalcomposition,clarifiesthe
mechanismoftheinfluenceoflaserparametersoncorrosionperformance,andonthisbasis
corrosionresistanceofEH36steelfirstlyincreasesandthendecreaseswiththeincreaseoflaser
energydensityandscanningspeed,andtheoxygencontentofthesurfacemeetsthecorrosion
,
excessivelaserenergyablatesthesubstrate,thegrainsizeofthemetalsubstratebecomessmaller,
grainrefinement,andthedensityofactivesitesatthegrainboundariesbecomeshigher,which
facilitatesthedissolutionofthemetalandreducesthestabilityofthecorrosionproductsonthe
通信作者:*E-mail:aihua.******@;**E-mail:******@.
1:.
metalsurface,
resistance,witha57%reductionincorrosioncurrentdensitycomparedtotheoriginalsteel.
KeywordsLaserdescaling;corrosionresistance;marinesteel;surfacemorphology
1引言
EH36钢具有显著的低温冲击韧性、强度、可焊性和疲劳强度,广泛应用于破冰船、大
型海上平台、中大型远洋船舶,已成为强度甲板和重型结构钢等船体关键部件的船用钢[1]。
由于海洋环境中Cl-和SO42-等离子的存在,船用钢板易受到局部腐蚀,进而引发局部结构脱
落,对船舶结构造成灾难性的破坏[2]。因此,对船用EH36钢的耐腐蚀性研究具有重要意义。
涂装是船舶腐蚀防护的重要手段之一,涂装前的表面质量直接决定了涂层质量和船舶的
防腐性能[3]。传统的船舶表面处理主要有机械打磨除锈和喷砂除锈,但传统除锈技术的工艺
生产效率低,粉尘和噪声的污染严重,职业病危害问题突出[4,5]。为了淘汰落后的传统除锈
技术,绿色环保高效的激光除锈技术已逐渐成为船舶领域的关注热点。2016年,上海交通
大学的解宇飞基于光纤激光器的船舶板材激光除锈工艺,研究了参数的确定方法[6]。2017
年,中国科学院金属研究所的任志国等人[7]对金属基底表面的微观结构、力学性能、硬度等
进行对比研究,结果显示激光除锈工艺在获得良好的除锈效果情况下,对金属基底没有造成
损伤,对金属基底表面性能没有产生显著影响。2021年,Li-Zhichao等人[21]以激光通量和
激光头移动速度为变量,用纳秒脉冲激光清洗TA15钛合金氧化物薄膜,结果表明当激光通
,得到了最佳的表面性能。氧含量
%和37μm。数值计算和分析结果表明,当表面温度略高于氧化膜
的沸点时,氧化膜的去除效果最好,激光清洗的主要机理是激光烧蚀。
目前虽未见报道激光除锈技术对EH36船用钢电化学腐蚀行为的影响,然而已有研究表
明采用激光加工方式提高材料表面腐蚀性能是一种有效手段。Ning等人证实,经过激光喷
丸的IN718合金与未处理的相比,%[8];Lim等人采用脉冲激光
器将2205双相不锈钢应用于反渗透式海水淡化厂高容量泵,2205双相不锈钢的腐蚀速率降
%[9];Wang等人研究表明,与未处理的5083铝合金相比,经过1次激光冲击强化
%%[3]。已有研究表明
EH36钢中杂质对其在海洋环境中局部腐蚀产生影响,Wang等人证实了钢中的CaO·Al2O3
杂质会导致EH36钢表面优先形成局部塑性变形区域,进而引发局部腐蚀[1]。因此,本文以
2:.
EH36钢为对象,实验研究常用的纳秒脉冲激光器对样品除锈后的耐腐蚀性能影响,分析激
光除锈参数对船用钢表面耐腐蚀性能的影响规律,结合激光除锈前后样品表面物质成份的变
化,揭示船用钢表面耐腐蚀性能变化机理,并获得船用钢铁的激光除锈最优参数,为激光除
锈技术在船舶领域的应用提供实验依据和理论指导。
2实验部分
本实验使用的EH36钢由上海外高桥造船有限公司提供,为船体用热轧结构钢,化学成
分见表1。采用240目、400目、800目、1000目和1200目的砂纸逐级打磨,直至呈亮白色
状态,用去离子水清洗后,再用无水乙醇超声冲洗脱脂,自然干燥置于阴凉处。然后,在其
表面喷洒饱和的NaCl溶液加速腐蚀[2],两周后腐蚀程度达到B级,随后将钢板切割成10
mm×10mm×,以便电化学实验的开展。
表1EH36钢的化学成分
Table1ChemicalcompositionofEH36steel
CSiMnPSCrNiCuMoTiVNbAl
≤≤-≤≤≤≤0.≤0.≤≤--≥
8005552458155
、、、、3000mm/s扫描速度
对钢表面进行激光处理,样品分别标记为T1、T2、T3、T4和T5;以2000、2500、3000、
3500和4000mm/s五种扫描速度、,
样品分别标记为T6、T7、T2(与以激光能量密度为变量标记的T2为同一样品)、T8和T9
(表2),将原始样品和锈蚀样品分别标记为T0和Tr。
表2样品编号
Table2Samplenumber
样品激光密度(J/cm2)激光扫描速率(mm/s)
3:.
图1a和1b分别为激光系统示意图和扫描路径示意图。激光器发出的纳秒脉冲激光通过
准直系统、全反射系统、扫描振镜系统和场镜后,
用于样品表面[24]。激光器型号为IPG-HP-100,激光束为高斯分布。本文选择的激光清洗参
数为:脉冲持续时间100ns,重复频率100kHz,扫描宽度20mm,主要研究激光能量密度
和扫描速度对钢表面的除锈效果。激光通量激光能量密度可以通过方程式(1)计算出来。
�
�=�⋅�(1)
其中,F为激光能量密度(单脉冲激光能量密度),P为平均输出激光功率,f为脉冲
频率,S为激光光斑面积。
图1(a)激光系统示意图,(b)激光扫描路径
(a)Schematicdiagramoflaser,(b)Laserscanningpath.
采用场发射扫描电子显微镜(德国蔡司MerlinCompact)研究样品的表面形貌
和元素含量,采用激光共聚焦显微镜(奥林巴斯LEXTOLS4000)分析不同清洗参数下被
测区域的表面粗糙度,采用X射线衍射仪(日本岛津XRD-6000)研究样品表面物相结构。
电化学实验在CHI760E电化学工作站上进行,采用三电极系统。电化学测试前,先用
导电胶将导线固定在样品背面,然后用环氧树脂将清洗面以外的表面固封,烘干待用。工作
电极为被测试样(1cm2工作区域),辅助电极为Pt电极,参比电极为饱和甘***电极,电解
%NaCl溶液[10]。通过极化曲线(LSV)和阻抗谱图(EIS)分析样品的耐腐蚀性能。
测试前,在开路电压下将工作电极浸泡于电解质中30分钟。塔菲尔(Tafel)曲线的电压测
试范围为-~,扫描速度为2mV/s。EIS频率设置为10-2~105Hz,交流振幅为±5mV。
4:.
3结果与讨论
图2a为锈蚀EH36钢的SEM图,其表面存在许多空洞和微裂纹。图2b~f分别为T1-5
样品经过激光清洗后的微观形貌,T1样品表面光斑形状不明显,仍可看见部分锈蚀基体,
这是由于施加激光能量密度过小,激光作用点温度与压力较低,表面熔融坑较浅[12],此时
锈蚀产物与基体之间发生原电池反应倾向较大。,T2
样品表面出现明显的光斑、边缘明显,光斑内部较为平整光滑,表面的锈蚀层基本被去除,
且在边缘发生了“边缘堆砌”效应[13],表面较为致密,表面致密的膜层有助于耐腐蚀性的提高。
,由于过量的激光能量密度,T3样品表面基体的热累积效
应加剧,基体发生熔化,熔融物重新凝固并聚集在光斑边缘[14],边缘堆砌程度加剧。当激
,T4和T5样品的上述现象更加明显,基底
损伤更加严重,飞溅物堆叠明显。
图2(a)Tr、(b)T1、(c)T2、(d)T3、(e)T4和(f)T5的SEM图
(a)Tr,(b)T1,(c)T2,(d)T3,(e)T4,and(f)T5
图3(a)~(e)分别为T6、T7、T2、T8和T9样品经过激光清洗后的SEM图。由图可见,
当扫描速度为2000和2500mm/s时,光斑搭接率较大,其中T6和T7样品的表面热累积效
应增强,表面熔化后形成的重凝物堆叠密集[23],与基体发生原电池反应的倾向增大。扫描
速度为3000mm/s时,光斑搭接率减小,T2样品表面较为光滑,此时基体尚未发生损伤。
当扫描速度增大到3500mm/s时,光斑搭接率小,T8样品表面散热较快,清洗的热量达不
到去除锈蚀所需的温度,导致表面存在残留锈蚀。当扫描速度为4000mm/s时,这一现象更
加明显,熔融坑较浅。
5:.
图3(a)T6、(b)T7、(c)T2、(d)T8和(e)T9
(a)T6,(b)T7,(c)T2,(d)T8,and(e)T9
从以上SEM分析可以看出,当激光过量时存在烧蚀基体的情况,表面形貌差异较大。
在此进一步研究了不同样品的表面粗糙度,如表3和图4所示。可以发现,随着激光能量密
度的增大,样品的表面粗糙程度呈现先减小后增大的趋势。结合SEM图可知,T1样品表面
的锈蚀层未被完全去除,表面较为粗糙。,T2的表面
锈蚀层基本被去除,此时的表面较为平整,因此T2样品相比T1粗糙度降低。随着激光能
量密度的进一步增大,表面基体继续发生热损伤,经过熔融并重新凝结的熔融物逐渐增多,
表面凹凸不平,粗糙度明显增大[11]。随着激光扫描速度的提高,表面粗糙程度同样呈现先减
小后增大的趋势。当扫描速度为2000mm/s时,激光光斑搭接率高,表面热累积严重,烧蚀
基底,表面粗糙度提高。随着扫描速度提高到3000mm/s,激光光斑搭接率减小,表面均匀
干净,粗糙度降低。随着扫描速度的进一步增大,激光光斑搭接率[22]继续变小,锈蚀去除
不完全,存在锈蚀残留,粗糙度提高。
表3不同样品的表面粗糙度
Table3Surfaceroughnessofdifferentsamples
SurfaceroughnessinthreeplacesAveragesurfaceroughnessStandarddeviation
Sample
(μm)(μm)(μm)
6:.
图4(a)T0-T5样品和(b)T6、T7、T2、T8、T9样品的表面粗糙度
(a)T0-T5,and(b)T6,T7,T2,T8,T9.
利用X射线衍射(XRD)分析了不同样品的表面物相结构,图5为T1-T9样品与原始
样品T0、锈蚀样品Tr的XRD谱图。Tr样品表面主要由FeOOH、Fe2O3和Fe三种物相构成,
经激光除锈后各样品的特征峰与原始样品相比基本吻合,主要为Fe,但强度不同。由于T1
样品表面存在锈蚀残留,因此Fe的峰强低于T0样品,而残留锈蚀的含量超过X射线的检
测极限。随着激光能量密度的提高,Fe的特征峰强度逐渐增强,于T2样品处达到峰值。继
续增加激光能量密度,Fe的峰强略为降低,此时激光逐渐过量,开始烧蚀基底,烧蚀产生
的氧化层抑制了Fe的衍射峰强度,对于T4和T5样品表现得更加明显。
图5不同样品XRD谱图
7:.
对于T6-T9样品,T6和T7由于重叠率较高,热累积效应增强,基底逐渐被烧蚀,Fe
的衍射峰强度出现了与T4和T5类似的抑制现象[15]。对于T8和T9样品,扫描速度的增加
使得表面激光能量不足以完全去除锈蚀,从而降低了Fe的峰强[16]。众所周知,衍射峰强在
一定程度上反映了晶粒的尺寸大小,峰强越高表明晶粒尺寸越大。随着晶粒尺寸的减小,腐
蚀速率增大,大晶粒样品表面更容易形成均匀致密的腐蚀产物层[17]。细晶粒样品表面耐腐
蚀性的降低可能是由于晶粒细化带来的晶界密度较高,如活性部位和缺陷的数量较高[18]。
当激光能量过量时会烧蚀基底,此时晶粒细化,晶界活性位点密度增大,溶解加快,降低了
腐蚀产物的稳定性,耐腐蚀性下降。
氧含量变化对耐腐蚀性能的影响不可忽视。据文献报道,氧含量增加会降低合金钢的抗
点蚀能力,其中夹杂物的形成以及夹杂物与基体之间的缝隙增加是腐蚀坑产生的原因[19]。
图6和表4为不同激光能量密度清洗后样品表面的含氧量结果,试样表面O含量的变化反
映样品表面的氧化程度[20]。由表4可见,样品表面氧含量整体呈现先降低后增加的趋势,
其中T2、T3和T7样品的氧含量均低于2%,且T2样品的氧含量低于1%,与基体表面氧
含量相近,抗点蚀能力优于其他样品。
表4不同样品表面的氧含量
Table4Oxygencontentofdifferentsamples
SampleOxygencontentatthreesites(%)Averageoxygencontent(%)
8:.
图6不同样品表面的氧含量
图7a为不同激光能量密度下T1-5样品在NaCl溶液中测得的极化曲线。自腐蚀电位取
决于金属处于钝化或活性状态,与腐蚀速率之间无关。本文通过腐蚀电流密度进行分析[2],
利用Icorr=B/Rp计算腐蚀电流密度(Icorr),其中Rp为被腐蚀金属电极的极化电阻。B=βaβc/(βa
+βc),其中βa和βc分别为阳极反应和阴极反应的Tafel斜率,Icorr与腐蚀速率呈正相关。表5
为不同样品的极化曲线参数,由表5和图7a可知,T1样品的自腐蚀电位较高,腐蚀电流密
度较大,此时样品耐腐蚀性较差。增大激光能量密度后,T2样品表面基本被完全除锈。由
表5数据可知,T2的腐蚀电流密度较T1显著降低,耐腐蚀性较好。继续加大激光能量密度
时,腐蚀电流密度明显增大,耐腐蚀性降低。综合比较发现,
时的耐腐蚀性最佳。
表5不同样品的极化曲线参数
Table5Parametersofpolarizationcurvesfordifferentsamples
SampleEcoor(V)Icoor(μA/cm2)
Tr-
T0-
T1-
T2-
T3-
T4-
T5-
T6-
T7-
T8-
T9-
9:.
图7不同样品的极化曲线图:(a)T1-5,(b)T6、T7、T2、T8、T9(c)T0、Tr、T2、T3
:(a)T1-5,(b)T6,T7,T2,T8,T9,and(c)T0,Tr,T2,T3
图7b为不同扫描速度下T6、T7、T2、T8和T9样品在NaCl溶液中的极化曲线。由表
5和图7b可知,T6和T7样品与T2相比腐蚀电流密度较大,耐腐蚀性低。在扫描速度为
3000mm/s时,T2相对于T6的自腐蚀电位有正向移动,耐蚀性增强。结合表4可知,此时
样品表面的氧含量降低,抗点蚀能力增强。当扫描速度继续增大时,T8和T9样品的腐蚀电
流密度增大,此时样品表面锈蚀存在残留,Fe含量降低,氧含量升高。夹杂物含量的升高
及其与基体缝隙面积增加导致了样品表面腐蚀坑的生成,耐腐蚀性降低,T2样品的腐蚀电
流密度比T9降低了30%,因此扫描速度为3000mm/s时的耐腐蚀性最好。图7c为T0、Tr、
T2和T3四个样品的极化曲线,,T2
和T3样品的自腐蚀电位相比T0、Tr有了明显的右移,
蚀电流密度相比T0降低了57%,耐腐蚀性提升明显。
为了进一步研究电化学腐蚀行为规律,对不同样品进行了阻抗谱测试(图8)。图8a
为等效电路元件图,阻抗与电荷转移电阻(Rct)反映了样品的耐腐蚀性,溶液电阻Rs表示
溶液电阻,反应形成氧化膜的能力。图8b和c为不同样品在NaCl溶液中的电化学阻抗谱图,
均为半圆形,说明所有样品均呈现出电容特性。表6中Rct的大小反应了样品耐腐蚀性的大
10:.
小,值越大耐腐蚀性越强。由表6、图8b和c可知,T2和T7样品的半圆直径较大,说明
这两个样品的电荷转移较小,·cm2,电容弧最大,具有最佳的
钝化行为,耐腐蚀性最好。·cm2,耐腐蚀性最差,电容弧最小,
钝化行为较差,耐腐蚀性