采用田口方法通过纳秒激光表面辐照优化AISI 316L不锈钢在潮湿环境中的耐蚀性

《Optics & Laser Technology》：Optimizing the corrosion resistance of AISI 316 L stainless steel by nano-second laser surface irradiation using humidity environment via the Taguchi method

　　

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  通过田口正交试验设计方法，成功优化了激光参数，优化后的参数组合为100 W激光功率、70%脉冲重叠率、60 ns脉冲宽度以及80%相对湿度。
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  通过极差分析发现，激光处理过程中最具影响力的参数是80%的相对湿度，这比我们之前的研究结果要低，原因是在激光实验时环境温度为15°C。
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  各参数的影响程度依次为：湿度 > 功率 > 脉冲重叠率 > 脉冲持续时间。
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  通过优化参数获得的SS316L最高点蚀电位为1.4 V（相对于Ag/AgCl）。

引言

AISI 316 L奥氏体不锈钢凭借其优异的耐腐蚀性、良好的可焊性以及可接受的机械强度，被广泛应用于化工、石油、核工程和海洋工程等领域[1]、[2]、[3]。然而，由316 L不锈钢制成的设备在热带高温高盐度的沿海海洋环境中仍会受到点蚀的困扰[4]、[5]、[6]、[7]。研究人员做出了大量努力，包括化学/电化学钝化处理以及激光处理，旨在通过预生成保护性氧化膜来提高316 L不锈钢的耐腐蚀性[8]、[9]、[10]。其中，纳秒激光照射因其相较于传统化学钝化处理具有更高的效率和更环保的特性，而受到越来越多研究者的关注。例如，Zhu等人[11]已经证明纳秒激光照射可以显著提高304不锈钢的点蚀电位，表明其点蚀耐蚀性得到了提升。Rezayat等人[12]表明，液态熔融碳酸盐中AISI 301LN的微观组织、马氏体形成以及耐腐蚀性均受激光热输入量的显著影响。Morales等人[13]发现，双相不锈钢（2205 DSS）上激光纹理氧化皮具有较高的碳化物和碳酸盐含量且结构更加致密，其腐蚀率降低了48%。同样，Rezayat等人[14]报道了通过激光处理实现了301LN钢的晶粒细化和硬化。

基于上述研究，然而，获得持续优异的耐腐蚀性仍存在问题，因为结果强烈依赖于多个相互作用的激光照射参数的低不确定度优化。Lawrence等人[15]报道了纳秒脉冲激光的重叠率和扫描速度对不锈钢耐腐蚀性的影响，处理后的样品在475 mm/s扫描速度下的耐腐蚀性优于550 mm/s。此外，脉冲持续时间对于激光诱导氧化物的形成及其对各种材料（包括304不锈钢和Ti4Al4V）腐蚀性能的影响也具有若干独特优势[16]、[17]、[18]。然而，关于316不锈钢的研究相对较少[15]、[19]、[20]。除了重叠率和脉冲持续时间外，激光功率对于不锈钢的表面改性至关重要。增加激光功率可能有利于提高点蚀电位，因为增加的热输入加速了表面氧化膜的形成[21]，但在过高的激光功率下若形成不致密的氧化膜，则耐腐蚀性可能会下降[15]、[22]、[23]。除了激光参数外，环境条件在激光处理过程中也已被证明起着至关重要的作用。例如，据报道高相对湿度促进了纳秒激光清洗过程中的清洁能力[24]。在我们先前的研究中[25]，报道了95%的高相对湿度（RH）可显著提高316 L不锈钢在3.5% NaCl溶液中的点蚀电位至1.0 V以上（相对于Ag/AgCl），且具有高的激光处理重复性。这种高耐腐蚀性被归因于在高相对湿度环境中激光照射期间表面致密富铬氧化膜的形成[25]。鉴于激光照射过程中存在如此多的影响参数，高相对湿度及其与激光参数对耐腐蚀性的协同作用因此值得深入研究。

在本研究中，使用商用SS316L奥氏体不锈钢，采用L₁₆(4⁴)正交试验设计田口方法，探索了激光参数以及相对湿度在纳秒激光照射过程中的作用。采用动电位极化试验和电化学阻抗谱分析腐蚀性能。进行了临界点蚀温度（CPT）试验以测定316 L不锈钢的临界点蚀温度。分别采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射光谱（XRD）技术对表面形貌、截面微观组织以及相结构进行了表征。随后系统分析了激光功率、重叠率、脉冲时间和相对湿度对耐腐蚀性的影响，并根据实验结果获得了最优参数。

章节摘要

材料

使用商用316 L不锈钢板，化学成分（wt.%）包括0.02C、17.38 Cr、10.82 Ni、2.31 Mo、0.87 Mn、0.016P、0.65Si、0.003 S，余量为Fe。从钢板中切割尺寸为15×15×2 mm的试样。所有试样使用砂纸从240目到2000目逐步打磨，在绝对乙醇（CH₃CH₂OH）中用超声波清洗器清洗，用去离子水冲洗，并用吹风机干燥。

纳秒激光表面处理

样品经过处理

基于正交试验的动电位极化

图2展示了不锈钢316 L在室温25°C的3.5% NaCl溶液中，不同典型纳秒激光处理条件下的开路电位（OCP）和动电位极化（PDP）曲线，以及未处理样品的曲线。未处理样品的OCP值为?0.03 V（相对于Ag/AgCl）。激光照射使OCP值正向提高至0.16 V（相对于Ag/AgCl），如图2(a)所示。从极化曲线可以看出，所有样品的阴极极化区域

纳秒激光照射提高316 L不锈钢耐腐蚀性的机理

当前的实验结果表明，纳秒激光照射处理在提高316 L不锈钢的点蚀电位方面具有很强的能力（图2和图3）。在优化参数下可以实现超过1.0 V（相对于Ag/AgCl）的点蚀电位和较高的CPT值，从而获得优异的耐腐蚀性（图4、图5）。这种改善归因于表面改性对不锈钢在NaCl溶液中钝化行为的影响。一般来说，一旦激光

结论

利用L₁₆(4⁴)正交表对SS316L不锈钢点蚀耐腐蚀性增强进行了激光加工参数优化，并采用田口方法进行分析，重点研究了脉冲重叠率（%）、激光功率（W）、相对湿度（RH%）和脉冲持续时间（ns）。主要结论如下：

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  对动电位极化曲线正交结果的田口分析表明，16个参数设置中有13个提高了点蚀

作者贡献

Dilshad Ali负责数据收集和撰写初稿；Cong-Qian Cheng负责审阅和资金获取；Xiao-Yan Zhao负责调研和数据处理；Zi-Jian Wang负责调研；Tie-Shan Cao负责方法学；Dun liu负责方法学；Jie Zhao负责监督。

伦理审批

不适用。

CRediT作者贡献声明

Dilshad Ali: 撰写–初稿，数据整理。Cong-Qian Cheng: 撰写–审阅与编辑，资金获取。Xiao-Yan Zhao: 调研。Zi-Jian Wang: 调研。Tie-Shan Cao: 方法学。Dun liu: 方法学。Jie Zhao: 监督。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金（NSFC Grant No.52571067）和空间发射场可靠性技术重点实验室（无编号资助）支持。

Dilshad Ali|Cong-Qian Cheng|Xiao-Yan Zhao|Zi-Jian Wang|Tie-shan Cao|Dun liu|Jie Zhao