皮秒激光织构化协同微弧氧化提升Ti-6Al-4V合金涂层的耐蚀与耐磨性能研究

为解决Ti-6Al-4V合金在海洋工程中因磨损和腐蚀导致的寿命受限问题，广州兴来激光技术有限公司等团队创新性结合皮秒激光表面织构化(LST)与微弧氧化(MAO)技术，显著提升了涂层的综合性能。研究发现，LST预处理使MAO涂层孔隙率降低16.19%，厚度增加82.45%，摩擦系数下降39%，腐蚀防护效率提升86.23%，并形成富含AlPO4和TiO2的复合硬质相。该研究为海洋装备关键部件的表面强化提供了新思路。

　　

钛合金因其高比强度和卓越的耐腐蚀性，成为海洋工程领域的明星材料，其中Ti-6Al-4V（TC4）更是应用广泛。然而，长期浸泡在富含氯离子的海水中，加上其先天不足的耐磨性，往往导致部件过早失效。更棘手的是，传统微弧氧化(MAO)技术虽能在表面生成陶瓷涂层，但高孔隙率和以锐钛矿型TiO₂为主的相组成，使得涂层在严苛海洋环境中的屏障性能大打折扣。如何突破这一瓶颈，成为摆在材料科学家面前的一道难题。

针对这一挑战，来自广州兴来激光技术有限公司等机构的研究团队独辟蹊径，将超快激光领域的皮秒激光表面织构化(LST)技术与MAO工艺强强联合，在《Surface and Coatings Technology》发表了创新性研究成果。这项工作的核心在于利用皮秒激光的超短脉冲特性（1-3皮秒脉宽），在TC4表面精准构筑周期性凸起微结构，不仅避免了热效应导致的相变或微裂纹，还为后续MAO涂层提供了理想的机械锚定点。

研究团队首先采用XL-25-3-50型皮秒激光系统（脉冲能量25μJ）对TC4进行表面织构化处理，通过控制200μm的激光光斑间距形成规则纹理。随后通过MAO工艺在碱性电解液体系中制备陶瓷涂层。综合运用光学轮廓仪、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等技术分析表面形貌与物相组成，并通过摩擦磨损试验、接触角测量和电化学测试评估性能。

在"皮秒激光表面织构化Ti-6Al-4V"部分，研究揭示了激光处理产生的周期性凸起结构使表面粗糙度显著增加，同时诱导晶粒细化和非晶态TiO₂含量提升。有趣的是，这种微观结构变化还赋予了基体疏水性，为后续MAO涂层打下坚实基础。

"MAO涂层微观结构演变"章节显示，LST预处理使MAO涂层发生三大显著改变：孔隙率从14.32%降至12.01%，涂层厚度从17.25μm激增至31.48μm，静态接触角提升19.38%。更关键的是，XRD分析证实LST促进了金红石型TiO₂的形成，这种高温稳定相具有更好的机械性能。

"摩擦学性能"部分的数据令人振奋：LST+MAO涂层的摩擦系数较基体降低39%，磨损寿命显著延长。这归因于激光织构形成的微纳结构既能储存润滑剂，又可捕获磨屑实现二次润滑，形成自维持的抗磨体系。

在"腐蚀行为机制"研究中，电化学阻抗谱显示LST+MAO涂层的致密层电阻达到基体的11.80倍。深入分析发现，激光织构促进了AlPO₄在致密层的富集，与TiO₂形成"复合硬质相"协同屏障，有效阻隔Cl^-侵蚀。

这项研究的结论部分凝练了四大发现：LST诱导的表面晶粒细化促进了MAO涂层中金红石型TiO₂的生成；激光织构的机械锚定效应使涂层结合强度提升；特殊的微纳结构设计实现了摩擦学性能的跨越式改进；AlPO₄/TiO₂复合相构建了多重腐蚀防护机制。

该研究的创新价值不仅在于工艺突破，更开创性地揭示了LST对MAO涂层腐蚀防护性能的调控机制。相比传统单一表面处理技术，这种"激光织构+微弧氧化"的复合工艺路线，为海洋工程装备的延寿设计提供了全新范式。从更广阔的视角看，这种通过精确控制表面微观结构来定向调控涂层性能的策略，对航空航天、生物医用等领域的表面工程同样具有重要借鉴意义。