飞秒激光纹理处理对通过粘合剂喷射打印技术增材制造的316L奥氏体不锈钢的抗腐蚀性能和抗应力腐蚀开裂性能的影响

《ACTA MATERIALIA》：Effects of femtosecond laser texturing on the corrosion and stress corrosion cracking resistances of the 316L austenitic stainless steel additively manufactured by binder jet printing

飞秒激光微纳加工可提升增材制造316L不锈钢的腐蚀与应力腐蚀开裂防护性能，不同激光参数产生的表面形貌影响其疏水特性及耐蚀性，中高参数处理显著改善材料抗腐蚀性能。

　　本文探讨了飞秒激光纹理化（FLT）对金属增材制造（AM）中316L不锈钢的局部腐蚀和应力腐蚀开裂（SCC）行为的影响，包括其原始打印状态和经过热等静压（HIP）处理后的性能变化。研究通过不同数量的激光扫描次数（200、400和800次）制造出具有不同深度的微纳级表面结构，并分析了这些结构对材料表面润湿性和腐蚀行为的具体影响。

在材料制造方面，316L不锈钢通过结合打印（BJP）技术进行成型，这是一种不依赖高能输入的工艺，避免了熔化、凝固以及显著的热循环过程。因此，BJP合金的微观结构与传统制造（CM）合金类似，呈现出等轴晶粒特征。然而，由于打印过程中存在一定的孔隙率，这种结构可能对材料的机械性能和耐腐蚀性产生不利影响。HIP处理能够有效降低孔隙率和δ铁素体含量，从而提升材料的耐腐蚀性能。然而，HIP处理并不能完全消除这些缺陷，因此需要进一步的表面处理手段来改善材料的性能。

研究发现，通过FLT技术制造的表面结构能够显著改变材料的润湿性。具体而言，经过200次、400次和800次激光扫描后，表面分别呈现出低深度、中等深度和高深度的微纳级结构。其中，400次和800次激光扫描所形成的表面具有超疏水特性，而200次扫描仅能提供疏水效果。这一结果表明，激光扫描次数与表面润湿性之间存在直接关系，随着扫描次数的增加，表面粗糙度显著提高，从而增强了疏水性能。同时，研究指出，中等深度和高深度的表面结构能够有效降低腐蚀介质的附着力，从而提升材料的抗局部腐蚀能力。

在腐蚀性能方面，研究采用了循环极化测试（Cyclic Potentiodynamic Polarization, CPP）方法来评估FLT对材料的抗腐蚀能力。测试结果表明，FLT在BJP 316L中提高了局部腐蚀的抗性，而在BJP+HIP 316L中则降低了局部腐蚀的抗性。这一现象可能与表面结构的形成方式以及HIP处理后材料的微观结构变化有关。在HIP处理后的材料中，虽然孔隙率和δ铁素体含量已经显著降低，但FLT所形成的微纳级结构可能在某些情况下影响了材料的电化学行为，从而导致局部腐蚀性能的下降。

另一方面，FLT对SCC性能的影响则呈现出不同的趋势。研究发现，中等深度的FLT结构能够显著提升BJP 316L的SCC抗性，而高深度的结构则效果不明显。这表明，表面纹理的深度与SCC抗性之间可能存在一定的非线性关系。进一步研究发现，FLT处理后的BJP 316L在SCC性能上与HIP处理后的材料相当，这表明FLT可以作为一种有效的后处理手段，以改善BJP材料的SCC抗性。

研究还强调了FLT技术的优势。与传统的表面处理方法（如光刻、化学蚀刻等）相比，FLT能够在单次操作中实现表面结构的精确控制，且无需额外的化学试剂或复杂的工艺流程。这不仅提高了生产效率，还降低了成本。此外，FLT技术能够在常温下进行，避免了高温处理可能带来的材料性能变化。同时，FLT技术具有良好的可重复性和可扩展性，适合大规模应用。

在材料微观结构方面，研究发现，FLT处理能够诱导形成激光诱导周期性表面结构（LIPSS），这是一种具有纳米级特征的表面结构，能够有效改变材料的表面润湿性。同时，FLT处理还能够改变材料表面的化学成分，从而进一步影响其腐蚀行为。例如，在FLT处理后的材料表面，由于微纳级结构的形成，腐蚀介质的附着力降低，从而减少了腐蚀反应的速率。此外，研究还指出，表面粗糙度与腐蚀速率之间存在正相关关系，随着表面粗糙度的增加，腐蚀速率也随之上升。

从应用角度来看，FLT技术为改善316L不锈钢的耐腐蚀性能提供了新的思路。特别是在氯化物环境中，这种技术能够有效提升材料的耐腐蚀能力，使其适用于更广泛的工业领域。此外，研究还指出，FLT技术不仅适用于BJP 316L，也可能适用于其他类型的AM材料，为提升这些材料的耐腐蚀性能提供了可能性。

综上所述，本文的研究结果表明，FLT技术能够显著改善316L不锈钢的表面润湿性和耐腐蚀性能。通过不同数量的激光扫描次数，可以实现对表面结构的精确控制，从而在不同深度下获得不同的润湿性和腐蚀性能。同时，研究还指出，HIP处理虽然能够有效降低材料的孔隙率和δ铁素体含量，但FLT处理后的材料在某些情况下可能表现出更优异的耐腐蚀性能。这些发现为未来研究和应用提供了重要的理论依据和技术支持，同时也为AM材料的后处理技术发展提供了新的方向。