基于螺旋激光辐照策略的激光线材定向能量沉积低碳钢表面氮化工艺优化及其耐腐蚀性研究

本研究针对激光线材定向能量沉积（LWDED）低碳钢表面氮化不均匀、耐腐蚀性不足的问题，通过引入螺旋（trochoidal）激光辐照策略和脉冲激光技术，实现了Fe-氮化物（Fe4 N/Fe2 N）的均匀生长。结果表明，100 Hz脉冲频率下形成的氮化层在3.5% NaCl溶液中表现出最优耐腐蚀性，为增材制造部件表面改性提供了新思路。

　　

在工业应用中，低碳钢因其成本低、可焊性好而被广泛用于海洋工程和管道系统，但其在腐蚀环境中的耐久性不足始终是瓶颈。传统氮化工艺如气体或等离子氮化存在热变形风险，且难以适配增材制造（AM）部件的复杂几何结构。更棘手的是，激光线材定向能量沉积（LWDED）制造的低碳钢具有多层异质微观结构，传统激光扫描路径会导致氮化不均匀。如何通过创新激光策略实现高效、可控的表面氮化，成为提升AM部件性能的关键挑战。

印度理工学院罗巴尔分校的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表论文，首次将螺旋（trochoidal）激光路径与脉冲氮化技术结合，对LWDED成型的ER70S-6低碳钢进行表面改性。通过调控脉冲频率（50-150 Hz）和氮气环境压力，成功在800-900°C高温下形成稳定的Fe-氮化物层。电化学阻抗谱（EIS）证实，100 Hz处理的样品在3.5% NaCl溶液中腐蚀电流密度降低70%，且γ'-Fe₄
N相在腐蚀后仍保持完整。这项研究为增材制造部件的原位表面强化提供了新范式。

关键技术包括：1）螺旋激光辐照系统设计，通过数学建模优化轨迹重叠率；2）脉冲激光氮化（波长1080 nm）结合氮气环境控制；3）多尺度表征（SEM、XPS、XRD、拉曼光谱）分析氮化层相组成；4）电化学工作站测试腐蚀行为；5）使用LWDED制备的ER70S-6薄壁样本（80×2.5×10 mm）作为基底材料。

材料与样本制备
研究采用LWDED成型的ER70S-6薄壁试样，其多层结构呈现梯度晶粒分布：顶部为粗大柱状晶（冷却速率慢），底部为细晶（快速导热）。这种异质性为氮化扩散路径研究提供了理想模型。

螺旋激光氮化机制
与传统光栅扫描相比，螺旋路径通过连续回旋运动消除光束重叠效应，使表面温度场分布均匀。激光脉冲（100 Hz）产生的瞬时熔池形成花瓣状微观结构，比表面积增加300%，显著提升氮原子捕获效率。XPS分析显示，该策略使氮扩散深度提高至15 μm，且ε-Fe_2-3
N相分布均匀性提升40%。

脉冲频率效应
50 Hz处理因能量间歇过长导致氮化层不连续；150 Hz则因热积累引发晶界氧化。100 Hz脉冲产生最佳热-力耦合条件，促进γ'-Fe₄
N相（硬度HV 1200）主导的复合层形成。原位XRD显示，该频率下α-Fe向Fe₁₆
N₂
的相变转化率达92%。

腐蚀性能突破
EIS奈奎斯特图显示，100 Hz样品的电荷转移电阻（R_ct
）达8.5 kΩ·cm²
，是基体的25倍。XPS腐蚀后分析发现，其表面仍保留76%的Fe³⁺
-N键，证明氮化物层具有钝化膜修复功能。相比之下，传统光栅扫描样品的点蚀密度增加3倍。

该研究证实，螺旋激光策略通过调控热历史可克服LWDED材料的本征异质性，而脉冲频率选择直接影响Fe-氮化物相稳定性。100 Hz处理的γ'-Fe₄
N层兼具高硬度和自修复能力，为海洋装备等严苛环境下的AM部件寿命延长提供了解决方案。未来可探索该技术在多轴机器人加工系统中的应用潜力。