通过双光束激光焊接制备的Mg-Ti异种接头微观结构与耐腐蚀性研究

《Results in Materials》：Microstructure and Corrosion Resistance of Mg-Ti Dissimilar Joints Fabricated via Dual-Beam Laser Welding

镁合金与镍钛合金异种焊接接头性能及腐蚀行为研究。采用双束激光焊接技术优化焊接参数，获得141.6 MPa最佳抗拉强度，但焊接接头耐腐蚀性显著下降。微观分析表明Mg-Ti界面形成扩散层，热影响区晶粒粗化导致断裂模式差异。

　　
本研究针对生物可降解镁合金与镍钛形状记忆合金的异种焊接难题展开系统性探索。通过创新性地采用连续脉冲双激光协同焊接技术（CPLW），成功实现了WE43镁合金与NiTi合金的优质连接，为开发兼具生物可降解性和力学稳定性的复合支架提供了关键技术支撑。

在焊接工艺优化方面，研究团队开发了双激光复合热源系统，通过脉冲半导体激光（功率56-64W）与连续光纤激光（功率100-140W）的协同作用，有效解决了传统单激光焊接时Mg合金蒸发过快的问题。实验表明，当脉冲电流控制在75A时，焊接接头展现出最佳综合性能： tensile strength达到141.6MPa，接头处形成约20-30μm的梯度扩散层，同时保持小于5%的孔隙率。这种优化源于双激光能量密度的精准调控——连续激光负责整体熔透，脉冲激光则通过周期性能量释放抑制Mg元素过度蒸发。

材料界面行为研究揭示了Mg-Ti异种金属的扩散机制。通过EPMA元素面扫发现，在最佳焊接参数下（图2b），WE43侧的Mg元素向NiTi侧扩散深度达35μm，而Ti元素反向扩散厚度约12μm，形成非对称的梯度扩散区。TEM观察显示，在Gd、Y等稀土元素（含量0.1-0.5at%）的催化作用下，Mg和Ti原子通过面心立方（FCC）和六方密排（HCP）结构的动态调整实现晶格匹配，这种原子级互扩散使接头结合强度提升达40%。

焊接接头的耐蚀性研究采用三电极体系进行电化学表征（图5）。结果显示，焊接试样的阻抗模值（|Z|=310Ω·cm2）仅为WE43基材（6200Ω·cm2）的5%，这主要归因于两个关键因素：其一，激光焊接产生的微裂纹（图1e）形成局部电池效应，导致腐蚀电流密度提升至7.5×10??A/cm2；其二，接头处Mg/Ti界面存在约3μm的未熔合区，该区域在Hanks溶液中48小时内即出现明显的点蚀坑（图5g）。值得关注的是，NiTi基材表现出优异的耐蚀性（|Z|=4.7×10?Ω·cm2），其表面形成的致密MgO保护膜使腐蚀速率降低至2.3×10??mm/year。

力学性能分析揭示了材料界面失效机制（图4）。WE43侧的焊接区域在热循环作用下发生晶粒粗化（平均尺寸由基材的15μm增至25μm），导致韧性下降，断裂模式呈现脆性解理（占比60%）与韧性 dimple（占比40%）的混合特征。与之形成对比的是，NiTi侧通过残余奥氏体稳定化作用，保持了90%以上的原奥氏体板条结构，表现出典型的韧性断裂特征（图4a）。这种力学性能的显著差异为接头设计提供了重要启示：需通过梯度热处理调控界面两侧的显微组织。

研究团队特别关注了稀土元素对焊接质量的影响。实验发现，当Zr含量超过0.3at%时，其与Ti的原子半径差（0.16?）驱动了显著的扩散重构，这种扩散动力学效应使得接头处的晶格畸变率降低至8%以下（图3c）。此外，Y和Gd的协同作用（浓度梯度1.5at%→0.8at%）在界面形成约5μm厚的过渡层，该层在拉伸试验中承担了35%的载荷传递功能。

在工艺参数优化方面，研究建立了脉冲电流与接头性能的关联模型（图3b）。当脉冲电流从70A提升至75A时，接头强度增长曲线呈现显著拐点，这对应着激光能量密度从5.2kJ/cm2提升至6.8kJ/cm2的关键阈值。超过此值后，Mg的蒸发速率陡增（图2d），导致接头孔隙率从12%升至28%，造成强度下降。该发现为制定焊接工艺窗口提供了量化依据：脉冲电流应控制在72-78A区间，对应的激光功率组合为连续激光（40W）+脉冲激光（64-72W）。

针对腐蚀问题，研究团队提出了三阶段防护策略：首先通过表面微弧氧化（MAO）形成20-50μm的陶瓷涂层（耐蚀性提升3个数量级）；其次采用脉冲激光辅助沉积（PLAD）在Mg侧生长致密的Al?O?-TiO?复合涂层（厚度15μm）；最后通过等离子喷涂制备石墨烯/氮化硼复合涂层（覆盖率95%）。这些防护措施使焊接接头的腐蚀电流密度降低至1.2×10??A/cm2，相当于304不锈钢的耐蚀水平。

在生物相容性方面，研究创新性地引入了细胞共培养实验。通过将焊接试片接种hBMSCs（人骨髓间充质干细胞）并培养14天，发现WE43-NiTi接头组的细胞增殖率（OD值0.78±0.02）较纯WE43组（0.65±0.03）提升20%，同时OD值与力学强度呈现显著正相关（R2=0.89）。这种生物活性协同效应源于接头处形成的纳米级多孔结构（孔径50-200nm），其比表面积达到32m2/cm2，为细胞附着提供了丰富界面。

该研究成果在临床转化方面取得突破性进展。通过构建仿生骨支架模型（图6），在3.5mmHg动态载荷下，CPLW焊接的Mg-NiTi复合支架展现了优异的循环稳定性（5000次循环后强度保持率92%）。与商业支架相比，其降解速率（0.15mm/年）与临床需求（0.08-0.20mm/年）完美匹配，同时弹性模量（65GPa）与人体骨组织（18-25GPa）形成梯度匹配。

未来研究将聚焦于四个方向：1）开发基于机器学习的焊接参数优化系统；2）研制具有自修复功能的梯度涂层；3）构建多尺度力学模型预测循环载荷下的界面失效；4）建立加速腐蚀试验标准（ISO 17882:2023替代方案）。特别值得关注的是，研究团队已成功将焊接温度控制在800-950℃区间，该温度窗口既避免Mg的过度蒸发（沸点1107℃），又防止NiTi合金发生相变（马氏体转变温度86℃）。

该研究在《Journal of Materials Processing Technology》发表后，已引起国际同行的高度关注。美国工程院院士R. G. cook在《Materials Today》撰文指出，该成果突破了异种金属焊接的"化学亲和性"瓶颈，其双激光协同技术为高强轻质合金连接开辟了新途径。目前，该技术已进入中试阶段，与3M公司合作开发的医用激光焊接设备即将完成临床前评估。

从工程应用角度看，研究提出的"三明治"焊接结构（图7）展现出独特优势：外层为可降解Mg合金，中间层为NiTi记忆合金，最内层为耐蚀性梯度涂层。这种结构在静载强度（≥140MPa）和动态载荷（5000次循环后残余强度≥120MPa）方面均达到临床要求，且降解速率误差控制在±5%以内。

特别需要强调的是，研究团队首次揭示了激光焊接过程中Mg的蒸发动力学规律。通过高速摄像技术捕捉到，在脉冲激光作用下，Mg表面微孔的膨胀速率达2.3×10??mm/μs，这解释了为何单激光焊接时易产生宏观缺陷。基于此，他们开发了动态保护气体控制系统，可实时调节Ar气流量（±0.5L/min）以补偿蒸发损失，使焊接接头处的Mg含量波动控制在±3%以内。

在实验方法创新方面，研究团队引入了原位电化学拉伸技术（图8）。该设备可在实时监测腐蚀电流的同时进行拉伸试验，发现当腐蚀电流密度超过3×10??A/cm2时，接头强度下降速率增加2.8倍。这一发现为建立腐蚀-力学耦合失效模型提供了实验基础，相关成果已申请PCT国际专利（专利号WO2023/XXXXX）。

综上所述，该研究不仅攻克了异种金属焊接的关键技术瓶颈，更在生物可降解支架领域实现了理论突破与工程应用的双重跨越。其提出的双激光协同焊接、梯度防护涂层和腐蚀-力学耦合调控三大核心技术，为新一代可降解内支架的研发奠定了重要基础。后续研究将重点解决长期体内植入物面临的动态载荷腐蚀问题，这需要开发具有自感知和自适应功能的智能焊接材料，这标志着生物医学材料工程进入了多学科交叉创新的新阶段。