激光表面合金化原位构建Q235钢成分-结构梯度表层的性能提升机制研究

针对Q235钢硬度低、耐蚀性差的问题，研究人员通过激光表面合金化(LSA)技术原位构建高Cr成分-结构梯度层，结合SEM/EBSD/XRD表征和有限元模拟(FEM)，揭示了从熔合线到表层的Cr梯度分布(~13至25.5 at.%)及晶粒细化机制，使显微硬度和耐蚀性显著提升，为低成本钢材高性能化提供新策略。

　　

在工业领域，低成本的Q235钢因硬度不足和易腐蚀等问题应用受限，而传统不锈钢的高成本成为瓶颈。如何通过表面改性实现"低成本基体+高性能表层"的组合，成为材料科学的研究热点。激光表面合金化(LSA)技术因其精准可控的加工特性，为这一难题提供了创新解决方案。

中山大学的研究团队在《Materials Today Communications》发表的研究中，采用LSA技术在Q235钢表面原位构建了高Cr(25.5 at.%)梯度层。通过SEM/XRD/EBSD多尺度表征结合三维FEM温度场模拟，揭示了从熔合线到表层的Cr梯度演化规律(~13至25.5 at.%)及晶粒形态转变机制（平面晶→胞状枝晶→柱状枝晶→等轴晶）。关键实验技术包括：激光表面合金化系统参数优化、熔池温度场有限元建模、显微硬度梯度测试及电化学腐蚀评估，对比组采用真空熔炼的Fe-24.5 at.%Cr合金。

材料表征结果
Cr粉末的球形度良好（平均粒径62.83 μm），Q235基体为铁素体-珠光体组织。LSA层呈现单一铁素体相，XRD证实无Cr化合物生成。EBSD显示表层晶粒尺寸显著细化（较基体缩小两个数量级），且Cr含量梯度与G/R（温度梯度/凝固速率）比值变化高度吻合。

模拟与性能关联
FEM模拟揭示熔池温度场分布主导微观组织演变：高G/R区域形成平面晶，随着G/R降低依次出现胞状/柱状枝晶，最终在表层形成等轴晶。这种梯度结构使硬度从基体156 HV提升至表层285 HV，极化曲线显示腐蚀电流密度降低一个数量级，优于同成分铸态合金。

结论与展望
该研究首次实现Q235钢表面高Cr梯度层的可控构筑，阐明成分-结构-性能的协同作用机制。LSA技术通过精准调控熔池动力学，可替代传统不锈钢在化工、海洋等苛刻环境的应用。未来可通过多元素共渗进一步优化梯度设计，为开发新型梯度材料提供理论依据和工程示范。