激光-化学协同表面改性策略调控铝/不锈钢体系定向铺展性的机理研究

为解决铝/不锈钢（Al/SS）体系因界面润湿性控制不足导致的连接可靠性问题，研究人员提出激光-化学协同表面改性策略（LCHST），通过调控微沟槽形貌和皮下渗透机制形成(Fe,Cr)Al3/(Fe,Cr)2Al5双层前驱膜，实现熔体定向铺展。该研究揭示了微织构深度增加通过毛细作用与钉扎效应降低平行方向扩散激活能，为异质材料焊接与涂层技术提供新思路。

　　

在汽车轻量化、能源传输管道等领域，铝/不锈钢（Al/SS）复合结构因兼具轻质与高强度特性备受关注，但其应用受限于界面润湿性调控不足导致的连接缺陷。传统方法难以协调化学相容性与接触角控制，而表面微织构技术虽在非反应体系（如水、油）中效果显著，但对Al/SS这类反应性体系的调控机制仍存争议。

哈尔滨工业大学（Harbin Institute of Technology）的研究团队创新性地提出激光-化学协同表面改性策略（LCHST），通过激光扫描与化学蚀刻两步处理，在301L不锈钢表面构建大尺寸沟槽与小尺寸褶皱复合结构。采用改进静滴法双向观测4043Al熔体铺展行为，结合热力学模型与动力学分析，发现激光扫描次数增加通过加深沟槽形态显著提升表面能，平行方向铺展激活能降低而垂直方向增加，形成显著各向异性。关键机制在于皮下渗透形成的(Fe,Cr)Al₃/(Fe,Cr)₂Al₅双层前驱膜，以及沟槽陡峭化增强的毛细作用与钉扎效应导致的熔体拉伸变形。该成果发表于《Applied Physiology Nutrition and Metabolism》，为异质材料焊接与涂层技术提供理论指导。

研究采用激光-化学混合表面处理（LCHST）制备微织构基底，通过扫描电镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）表征表面形貌与化学组成，改进静滴法同步记录正交方向润湿行为，并利用聚焦离子束（FIB）技术解析界面微观结构。

表面特性：LCHST处理后的表面呈现清晰沟槽-褶皱复合结构，无毛刺或氧化残留。激光扫描次数增加使沟槽深度从1.2μm增至3.5μm，表面能提升37%。
润湿行为：平行方向接触角降低至25°，而垂直方向保持在52°，各向异性指数随扫描次数线性增加。
界面机制：皮下渗透形成的(Fe,Cr)Al₃/(Fe,Cr)₂Al₅双层前驱膜促进熔体铺展，陡峭沟槽通过毛细力与钉扎效应诱导熔体定向变形。

该研究证实LCHST策略通过物理形貌与化学反应的协同作用，实现Al/SS体系润湿性的定向调控。Haoyue Li等学者指出，沟槽深度增加使平行方向扩散激活能降低42%，而垂直方向增加28%，为异质材料连接工艺参数优化提供量化依据。研究不仅解决了工程应用中的界面控制难题，更深化了对反应性体系各向异性润湿机制的理解，对航空航天、新能源汽车等领域的轻量化设计具有重要参考价值。