《Materials Today Communications》：Assessment of the impact of laser treatment on the metallurgical characteristics of Ni-CNT coatings, focusing on the enhancement of corrosion resistance
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铜因其优异的工程性能而被广泛应用于热交换器、冷凝器、阀门、轴承、铸造模具和海洋耐腐蚀系统等领域，提高其耐腐蚀性能对于延长服役寿命至关重要。本研究系统探究了激光处理对沉积于铜基底上的电镀Ni-CNT复合涂层腐蚀行为及表面特性的影响。研究评估了两种加工路径：电沉积
铜因其优异的工程性能而被广泛应用于热交换器、冷凝器、阀门、轴承、铸造模具和海洋耐腐蚀系统等领域，提高其耐腐蚀性能对于延长服役寿命至关重要。本研究系统探究了激光处理对沉积于铜基底上的电镀Ni-CNT复合涂层腐蚀行为及表面特性的影响。研究评估了两种加工路径：电沉积前激光处理和镀层沉积后激光处理。两种路径均采用2.38 × 10?、4.77 × 10?和7.16 × 10? W·cm?2的激光功率密度。通过形貌、成分、粗糙度、润湿性和电化学分析对涂层进行了表征。结果表明，在电沉积后以7.16 × 10? W·cm?2功率密度进行激光处理可获得最佳的表面特性和腐蚀性能。该涂层的腐蚀电流密度(icorr)为0.02 μA·cm?2，极化电阻(Rp)为1767.1 kΩ·cm2，而未经处理的对照涂层分别为0.04 μA·cm?2和523.9 kΩ·cm2。优异的耐腐蚀性能归因于相对均匀的CNT分布、较低的CNT团聚程度（CNT含量为33.4 vol.%）、平均粗糙度为0.8 μm的光滑表面以及111.11°的水接触角。相比之下，将CNT含量提高至48.4 vol.%并未改善腐蚀性能，因为过度的CNT团聚和表面不均匀性促进了局部电化学活性。上述发现表明，激光加工的时序对Ni-CNT复合涂层的微观结构和腐蚀行为起着关键作用，其中沉积后激光处理对耐腐蚀性能的改善最为有效。
**论文解读：激光处理对Ni-CNT复合涂层冶金特性及耐腐蚀性能的影响**
**一、研究背景与意义**
镍基涂层因其优异的耐腐蚀性能、良好的力学性能和相对较低的成本，在工程防护领域获得了广泛应用。随着工业界对部件耐磨性和耐久性要求的不断提高，开发具有更优表面特性的先进镍基涂层成为研究热点。在众多强化策略中，将增强颗粒引入镍基体以制备复合涂层，已被证明是同时改善硬度、耐磨性和腐蚀性能的有效途径之一。碳纳米管(CNT)凭借其极高的抗拉强度、优异的导电性、低摩擦系数、出色的化学稳定性及独特的中空管状结构，成为极具吸引力的增强材料。CNT的高长径比使其能够在金属基体中形成互联网络，然而其分散控制是避免团聚的关键挑战。已有研究表明，Ni-CNT复合涂层的腐蚀行为强烈依赖于CNT分散状态、涂层微观结构及致密性，但这些因素的协同作用机制尚不清晰。
尽管CNT的掺入显著改善了镍基复合涂层的力学和腐蚀性能，但最终性能还受到表面粗糙度、孔隙率、微裂纹、残余应力和CNT团聚等表面状态和微观结构完整性的制约。激光处理作为一种高效、环保的表面工程技术，能够局部改性表面形貌、细化微观结构、消除表面污染物并在不改变基体整体性能的前提下调控近表面特性。然而，关于激光处理与Ni-CNT电沉积联合作用的研究仍十分有限，尤其是激光处理时序对涂层腐蚀行为的影响鲜有报道。因此，本研究系统比较了电沉积前激光预处理与沉积后激光处理两种路径，旨在阐明激光时序对Ni-CNT复合涂层微观结构、CNT分布、表面粗糙度、润湿性和电化学性能的作用规律，为优化激光辅助制备高耐蚀Ni-CNT涂层提供理论依据。
**二、主要技术方法**
研究人员采用99%纯铜板（30 mm × 70 mm × 1 mm）作为基底，经机械抛光和电抛光预处理。电沉积采用瓦特浴(Watts bath)体系，CNT装载量为1 g·L?1，以十二烷基硫酸钠(SDS)作为阴离子表面活性剂分散CNT。电流密度为4 A·dm?2，pH 3.6–3.7，浴温55°C。激光处理采用连续波(CW)光纤激光系统，波长1064 nm，脉冲宽度100 ns，频率10 kHz，光斑尺寸100 μm。激光功率密度分别为2.38 × 10?、4.77 × 10?和7.16 × 10? W·cm?2。研究设置三组样品：仅电镀（对照组）、铜基底激光处理后电镀（第2组）、电镀后涂层激光处理（第3组）。腐蚀评估采用动电位极化(PDP)和电化学阻抗谱(EIS)方法，腐蚀介质为3.5 wt.% NaCl溶液。表征手段包括扫描电子显微镜(SEM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)及能谱分析(EDS)、维氏显微硬度测试、表面粗糙度测量和接触角分析。
**三、研究结果**
**3.1 CNT表征**
SEM和TEM图像显示CNT呈典型管状结构，平均长度约365–370 nm，直径约14 nm，具有显著的长径比，适合作为镍基体中的增强管。
**3.2 样品外观检查**
激光处理后样品表面出现颜色变化和细微平行线，其强度随功率密度增加而增强。变色归因于热氧化薄层，可被丙酮轻松去除。平行线主要由激光束重叠区域效应所致。由于镍对激光的吸收系数高于铜，第3组样品中的线状特征更为明显。当功率密度超过7.16 × 10? W·cm?2时开始出现剥离区域，证实了所选功率密度范围的合理性。
**3.3 截面观察**
截面光学显微图像显示所有样品的镍基沉积层厚度约为30 μm，组织完全致密，未观察到剥离或裂纹。激光处理未引起涂层厚度、连续性或涂层/基底界面完整性的可观察变化，也未在涂层或铜基底中产生激光诱导缺陷。经腐蚀液浸蚀后可见少量暗色区域，EDS分析确认这些区域为CNT富集区，表明存在有限的CNT团聚，但并未破坏涂层的连续性或结构完整性。
**3.4 表面形貌**
对照组（样品1）呈现由相互连接的结节状特征构成的网状微观结构。第2组样品（激光预处理铜基底）的致密性显著提高，归因于激光诱导的表面粗糙化增加了镍沉积的形核位点。随着激光功率密度增加，结构由混合花椰菜状向完全发育的花椰菜状形貌演变。第3组样品中，在功率密度4.77 × 10? W·cm?2下出现明显CNT积累，归因于镍的激光吸收系数高于CNT而优先被去除。当功率密度升至7.16 × 10? W·cm?2时，团聚CNT和岛状凸起区域被完全消除，形成具有清晰圆形特征的激光作用面，呈现出最显著的激光改性效果。值得注意的是，较高功率密度可能导致表面再次失序，如样品6在小范围内出现的涂层剥离效应。
**3.5 CNT增强相的分布与含量**
EDS面分析显示，各样品表面与截面区域的CNT含量无显著差异，表明CNT在涂层厚度方向上分布相对均匀。对照样品CNT含量约14.2 vol.%，分布较为均匀但局部存在团聚。第2组样品中，激光功率密度增加导致CNT参与量和团聚程度同步上升，这是由于增强的形核生长及CNT吸附能力所致。第3组中，样品7经最佳功率密度处理后，几乎消除了所有团聚区域和封闭的穹顶状结构，形成CNT分布相对均匀、团聚程度低的微观组织。相比之下，样品6含有最高的CNT含量（48.4 vol.%），但存在显著的团聚和微观结构不均匀性。
**3.6 硬度与粗糙度评价**
对照组硬度为363 HV。第2组中样品3硬度最高，归因于较高的CNT含量、较低的团聚度和细密紧凑的形貌。第3组硬度随激光功率密度增加而上升，归因于团聚消除和表面均匀化。激光冲击产生的表面压应力也对硬度提升有所贡献。粗糙度方面，预激光处理样品的粗糙度轮廓波动较为平缓，归因于更致密结构的形成。样品4因团聚CNT、孔隙和微裂纹的存在呈现负偏度粗糙度。第3组中样品6因镍优先去除而具有较高的平均粗糙度和负偏度，而样品7呈现均匀的粗糙度轮廓，以0.8 μm的低平均粗糙度和0.37的正偏度为特征，表明不存在明显的孔隙、微裂纹及峰谷起伏。
**3.7 润湿性表征**
接触角从最高111.11°到最低11.03°依次对应样品7、3、6、2、1、5、4。样品7的高接触角归因于CNT相对均匀分布和有限团聚。样品4的接触角极低，因其花椰菜状形貌与微裂纹促进了液滴的毛细渗透和铺展。结果表明Ni-CNT涂层的润湿行为由CNT分布、表面形貌和微观结构缺陷共同决定。
**3.8 腐蚀行为评估**
PDP测试显示所有极化曲线呈准钝化行为，源于致密粘附的镍氧化物层。对照样品icorr为0.04 μA·cm?2，Rp为523.9 kΩ·cm2。样品7表现出最优腐蚀性能：icorr = 0.02 μA·cm?2，Rp = 1767.1 kΩ·cm2，较对照样品的Rp值提升了逾三倍。样品2、3的icorr较高，Rp较低（分别为7.2和12.2 kΩ·cm2），表明激光预处理铜基底未改善反而劣化了腐蚀性能。EIS拟合结果表明，激光功率密度7.16 × 10? W·cm?2下涂层后处理显著提高了Rct至77.1 kΩ·cm2，明显优于对照样品（8.7 kΩ·cm2）及其他激光处理样品。样品7的氮气离子扩散阻滞能力最强，这与均匀CNT分布、残余团聚最少、表面粗糙度低、湿润角高、微裂纹和孔隙少等因素共同相关。样品6尽管CNT含量最高（48.4 vol.%），但因严重团聚和表面非均匀性导致的局部电化学活性增强，其腐蚀性能并未优于对照样品。
**四、讨论与结论**
研究证实了激光处理时序对Ni-CNT复合涂层腐蚀行为的关键决定性作用。沉积后激光处理（功率密度7.16 × 10? W·cm?2）通过协同改善四项冶金参数——致密形貌并减少微裂纹、CNT均匀分布且低团聚、低表面粗糙度及高润湿角——显著提升了涂层的阻隔性能和耐腐蚀能力。而电沉积前激光预处理虽然改善了形核和致密性，却增加了CNT团聚和微裂纹，总体上劣化了腐蚀性能。此外，高CNT含量（48.4 vol.%）并不自动转化为优异的腐蚀性能，团聚导致的局部电化学活性反而成为腐蚀诱发点。本研究为激光辅助制备高性能Ni-CNT耐蚀涂层提供了明确的工艺窗口和微观结构设计准则。
**研究结论如下**：本研究中Ni-CNT涂层样品分为三个不同组别，即对照组、电镀前激光预处理组和电镀后激光处理组。冶金与腐蚀分析揭示：第一，以7.16 × 10? W·cm?2功率密度对Ni-CNT涂层施以激光处理可显著提高耐蚀性，极化电阻从对照样品的523.9 kΩ·cm2升至1767.1 kΩ·cm2；第二，电沉积前对铜基底进行激光处理未能改善Ni-CNT涂层的腐蚀性能，最优样品4的腐蚀电流密度为0.27 μA·cm?2，远高于未处理样品的0.04 μA·cm?2；第三，以该功率密度处理Ni-CNT镀层能消除表面凸起与凹陷，使粗糙度由5.6 μm降至0.8 μm；第四，该处理使Rsk达0.37并形成均匀形貌，icorr获得最优值0.02 μA·cm?2；第五，消除涂层中累积和团聚的Ni-CNT区域，同时将CNT体积分数提升至33.4 vol.%并建立均匀分布区域，使润湿角增至111.11°，腐蚀性能相应提升。
