强场激光表面钝化实现不锈钢腐蚀速率降低十万倍的突破性研究

为解决不锈钢在苛刻环境中不可避免的化学腐蚀问题，研究人员开发了强场激光丝(SLF)钝化策略，通过构建仿生芋叶状分级异质Cassie态微纳结构和混合um-Fe3O4/Fe2O3/Cr2O3钝化层，使AISI 304钢在盐/酸/碱溶液中的腐蚀速率降低4-5个数量级，且超低腐蚀率可持续>6500小时。该技术为不锈钢在多种恶劣环境下实现超强抗腐蚀性能提供了新方案。

　　

不锈钢作为基础耐腐蚀材料，历经一个多世纪的发展仍无法摆脱环境化学侵蚀的困扰，其典型腐蚀速率高达每年数十微米。这种腐蚀不仅造成巨大的经济损失，更严重的是，不锈钢在特定条件下会发生突然的点蚀现象——只需温度、电位或溶液浓度的微小变化，就会引发腐蚀速率的急剧上升，这对港口设施、海洋油气开采设备和地下管网等关键基础设施的寿命构成严重威胁。

传统的有机、无机或碳基涂层技术存在固有缺陷：它们无法完全阻隔氯离子和羟基等腐蚀性物质的渗透，且涂层中的微孔和裂纹甚至会加速局部腐蚀。虽然激光加工技术通过构建微纳结构疏水表面能将抗腐蚀性能提升1-2个数量级，但这一改进幅度仍难以满足极端环境的应用需求。

在这项发表于《Light: Science & Applications》的研究中，郑连生等研究人员开发出一种革命性的强场激光丝(Strong-field Laser Filament, SLF)钝化策略。他们利用远场飞秒激光丝在空气中产生的50-100 TW·cm^--2高强度激光场，在不锈钢表面形成了独特的仿生芋叶状分级异质Cassie态微纳结构，同时促使铬原子从基体向表面迁移，构建了混合um-Fe₃O₄/Fe₂O₃/Cr₂O₃钝化层。经过150°C低温热处理后，样品表面实现了超疏水特性（接触角158.74°，滚动角0.45°），形成了物理屏障与化学钝化的双重保护机制。

研究团队采用了几项关键技术方法：使用中心波长800 nm、脉冲宽度35 fs的飞秒激光系统产生激光丝；通过阴影成像法和ICCD相机记录激光诱导冲击波和等离子体羽流的时空演化；采用三电极体系进行电化学测试（包括动电位极化、电化学阻抗谱和循环伏安法）；利用氦离子显微镜、场发射扫描电镜和透射电镜进行表面形貌和晶体结构分析；通过X射线光电子能谱(XPS)和飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)进行化学成分深度剖析。

表面工程策略与抗腐蚀性能

研究人员发现，与传统近场激光处理不同，远场SLF处理不仅形成了独特的仿生微纳结构，还显著提高了表面铬含量。电化学测量显示，处理后的LH304样品在3.5 wt.% NaCl溶液中的腐蚀电流密度(i_corr)从原始样品的10^--6 A·cm^--2降低至10^--10-10^--11 A·cm^--2，降幅达4-5个数量级。

电化学阻抗谱显示，LH304的电荷转移电阻(R_ct)比原始样品高三个数量级，而双电层电容(CPE_dl)低三个数量级，表明腐蚀离子更难穿透钝化层。

耐久性测试

经过长达9个月（>6500小时）的3.5 wt.% NaCl溶液浸泡试验，LH304样品的抗腐蚀性能保持不变。连续5次动电位极化测量后，原始样品表面出现严重腐蚀痕迹，而LH304样品保持原始外观，腐蚀电流密度维持在~5.0 × 10^--10 A·cm^--2。

腐蚀抵抗机制

形貌分析显示，SLF处理形成了独特的芋叶状分级异质微纳结构，其平坦山顶特征与近场激光处理形成的尖峰状结构截然不同。

透射电镜分析表明，样品表面由约500 nm的非晶层和几微米的晶体/非晶混合层组成，其中富含氧元素。XPS分析显示，激光处理使表面氧浓度从25.3%增至46.9%，碳浓度从70.7%降至42.2%，并形成了Fe₃O₄/Fe₂O₃混合氧化物和Cr₂O₃。

ToF-SIMS深度剖析估计氧化物层厚度约1.6 μm，远高于AISI 304不锈钢天然表面氧化物层的典型厚度（1-3 nm），且铬信号在氧化物层区域保持高值，表明激光丝处理促进了铬在表面的富集。

研究结论表明，这种超强抗腐蚀性能源于um厚度钝化层（富含铬含量）与独特的分级异质Cassie态微纳结构的协同效应。该技术不仅适用于AISI 304钢，同样显著提高了AISI 316、420、201、430和2205钢在盐、酸、碱条件下的抗腐蚀性能，腐蚀电流密度降低3-6个数量级。研究还证实该技术对钛合金Tc4和纯铝也有一定效果，但其有效性仍受金属自身化学性质的影响。

这项研究的重大意义在于提供了一种通用且高效的不锈钢表面强化技术，通过单步远程处理即可实现极端环境下的超强抗腐蚀性能。随着高重复率高能飞秒激光技术的发展，这种SLF加工技术有望实现对各种不规则形状表面的大气远距离处理，为工业实际应用开辟了新途径。该技术为解决长期困扰工程领域的金属腐蚀问题提供了创新性解决方案，对延长关键基础设施寿命、减少资源浪费具有重要意义。