学术研究报告：钛合金表面激光诱导周期性结构（LIPSS）的微观结构细化与腐蚀行为研究

作者及机构：本文由Qirui Zhang（第一作者）和Yingchun Guan（通讯作者）团队完成，作者单位包括北京航空航天大学机械工程与自动化学院、大型金属构件增材制造国家工程实验室、北航合肥创新研究院及北航宁波先进制造中心。研究发表于《Journal of Alloys and Compounds》2023年第936卷。

学术背景
该研究聚焦于超快激光诱导周期性表面结构（LIPSS, Laser Induced Periodic Surface Structure）对钛合金（Ti6Al4V）微观结构与腐蚀性能的影响。LIPSS因其在光学性能提升和材料表面改性中的广泛应用而备受关注，但其对金属合金晶粒细化、位错演化及腐蚀行为的调控机制尚不明确。本研究旨在填补这一空白，探究皮秒激光加工LIPSS过程中钛合金的梯度微观结构形成规律及其对电化学稳定性的作用机制。

研究流程与方法
1. 材料制备
- 研究对象：冷轧退火态Ti6Al4V合金（化学成分：Al 6.0-6.3 wt.%，V 4.0-4.1 wt.%），切割为10×10×2 mm³试样。
- 激光处理：使用Pharos皮秒激光器（波长1030 nm，脉宽10 ps，能量密度1 J/cm²），以20 μm间距、2000 mm/s速度进行多道扫描（10次），氩气保护。

1. 材料表征

   • 表面形貌分析：通过环境扫描电镜（SEM, Quanta FEG 450）和3D激光共聚焦显微镜（VK-X250）观察LIPSS周期结构（约600 nm）。
     
   • 截面分析：电解抛光（10% HClO₄ + 90% C₂H₅OH，30 V/10 s）后，结合电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒取向与应变分布，透射电镜（TEM, JEOL F200）解析位错结构梯度变化。
     
   • 力学性能测试：显微硬度计（FVM-800）测量表面硬度，X射线衍射（XRD）评估残余应力。
     

2. 腐蚀性能测试

   • 电化学测试：采用三电极体系（工作电极：激光处理/未处理Ti6Al4V；参比电极：标准甘汞电极；辅助电极：铂电极），在3.5 wt.% NaCl溶液中通过动电位极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）分析腐蚀电流密度（icorr）、击穿电位（Epit）及阻抗特性，并用ZSimpWin软件拟合等效电路。
     

主要结果
1. 微观结构演化
- 表面晶粒细化：EBSD显示激光处理后表层晶粒尺寸从15.5 μm细化至5.3 μm，且初始轧制织构显著减弱（图2）。
- 梯度位错结构：TEM揭示表层形成纳米级位错胞结构（图3a），随深度增加转变为高位错缠结（20 μm处，图3b），至60 μm处仅存稀疏位错线（图3c）。这种梯度结构归因于激光多道次加工的热-力循环效应。

1. 性能提升
   
   • 硬度增强：表面硬度提升10%，归因于晶粒细化与位错胞结构的协同强化（图5）。
     
   • 腐蚀性能改善：极化曲线显示激光处理后的腐蚀电流密度（icorr）降至未处理样本的1/3（表3），EIS中Nyquist环直径增大（图6a），电荷转移电阻（Rct）翻倍（表2）。位错胞结构的低界面能有效抑制原子扩散，增强钝化膜稳定性。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 揭示了LIPSS加工诱导的梯度位错结构（表层位错胞→亚表层位错缠结→基体位错线）与晶粒细化协同机制，为金属表面强韧化设计提供了新思路。
- 证实位错胞结构通过降低界面能显著提升耐蚀性，突破了传统认知中高位错密度对腐蚀性能的负面影响。

1. 应用价值
   
   • 为钛合金表面抗腐蚀-力学协同改性提供了可工业化推广的激光加工参数（如能量密度1 J/cm²、多道次扫描）。
     
   • 该方法可扩展至其他高附加值金属部件（如航空航天紧固件、生物植入体）的表面功能化。
     

研究亮点
1. 创新性发现：首次报道LIPSS加工中钛合金的梯度位错结构及其对腐蚀行为的正向调控作用。
2. 方法学创新：结合EBSD与TEM多尺度表征，解析了热-力循环下位错动态演化的空间分布规律。
3. 技术普适性：提出的低能量多道次激光加工策略适用于对热输入敏感的高性能合金。

其他价值
实验设计中的电解抛光预处理（去除表层LIPSS）有效隔离了表面形貌对电化学测试的干扰，为同类研究提供了标准化流程参考。