《IMR》I：增材制造不锈钢腐蚀性能发表顶刊综述

导读：增材制造（AM）由于快速加热和冷却循环以及较大的温度梯度相形成了复杂的热过程，这些热过程直接影响最终的微观结构，这些特征有望导致AM不锈钢的腐蚀特性发生变化。目前，这种变化还没有得到很好的理解。本文通过评估AM不锈钢的独特微观结构特征对腐蚀行为的影响，对腐蚀特性进行了严格的评述，重点研究了新的腐蚀现象和局部腐蚀的选定临界形式，包括点蚀，晶间腐蚀，疲劳腐蚀和应力腐蚀开裂。对这些腐蚀现象和行为的机理以及主要影响因素进行了讨论，从而为各种腐蚀条件下增材制造不锈钢的未来发展提出了建议。

增材制造（AM），也称为3D打印，已成为一种先进的制造技术，用于生产复杂的金属零件，通常使用高能激光或电子束以逐层层叠的方式进行生产。AM是一种通用技术，已用于处理各种金属和合金，例如钢、镍基超级合金、铝合金、钛合金等，可生产适用于各种行业应用的组件，例如汽车、航空航天、医疗、国防以及石油和天然气生产，这些应用环境可能具有很高的腐蚀性。AM中的分层方法与一系列的循环快速加热和冷却以及较大的温度梯度相关联，从而导致复杂的热过程，直接影响最终的微观结构，机械性能和腐蚀特性。因此，量化和理解这种影响有助于确保在各种工业环境中有效，安全和持久地使用AM零件。

不锈钢是金属增材制造研究领域中研究最广泛的合金之一，原因是其出色的耐腐蚀性和许多行业所需的良好机械性能。它们约占2018年使用的所有AM钢粉的55.6％ ，316L不锈钢是最重要的工程合金之一，已成为大多数有关增材制造钢的腐蚀研究的重点。在过去的几年中，对AM不锈钢在各种使用条件下的腐蚀特性的研究有所增加。虽然各种AM金属材料的腐蚀性能已由Sander等人Kong等人和Ornek等人进行了综述，但尚未对AM不锈钢的腐蚀特性和行为进行阐述。

在此，迪肯大学Mike Y. Tan教授团队通过对目前使用AM加工的不锈钢腐蚀行为进行了研究，特别关注奥氏体，沉淀硬化和双相不锈钢，探究了AM不锈钢的腐蚀行为。通过对AM不锈钢与常规生产的同类产品进行比较分析，揭示了它们腐蚀差异背后的机理，为对AM不锈钢的腐蚀行为的既定认识增加了新的理解，并为未来的发展奠定了基础。相关研究结果以题“A critical review of corrosion characteristics of additively manufactured stainless steels”发表在综述期刊International Materials Reviews上。

https://doi.org/10.1080/09506608.2020.1855381

AM不锈钢通常表现出多方面的，不均匀的微观结构以及高残留应力，这使腐蚀行为和机理更加复杂。孔隙度在AM不锈钢的腐蚀特性（例如钝化，点蚀和腐蚀腐蚀）中起着至关重要但不利的作用。由于存在孔隙，低密度AM不锈钢显示出较低的耐点蚀性。这样的孔，特别是LOF孔，被确定为更容易发生点蚀的部位，因为在存在LOF孔的情况下可以容易地确定坑的稳定性的关键条件。然而，孔隙对AM不锈钢中凹坑萌生的作用仍然是正在进行的研究和讨论的主题。

图1 最常研究的粉末床工艺变量的示意图：功率，扫描速度，舱口间距和层厚。

层厚。

图2 SLM生产的316LSS的典型微观结构。（a，b）分别是SLM生产的316LSS的横截面和堆叠截面的光学显微照片，显示了凝固轨迹和熔池。（c）蚀刻样品的高倍SEM图像显示尺寸约1μm的凝固池。（d）SLM生产的316L SS在横截面上的EBSD逆极图（IPF）图，显示了晶粒取向，尺寸和形状。（e） （d）中相同样品的EBSD IPF图，但朝堆叠方向。（f）常规生产的316L SS的EBSD IPF图。（g）不同SLM生产的316L SS的EBSD IPF图，在堆叠方向上显示出更长的柱状晶粒。（d）中的堆叠方向垂直于页面，而（e）中的堆叠方向从左至右。（h–j）AM不锈钢中一些常见缺陷的SEM图像。（h）和（i）中的箭头表示球形气体孔隙。

图3 AM和常规生产的316L SS中的典型夹杂物。（a）背散射SEM图像显示在SLM生产的316L SS中球形纳米夹杂物的分布相对均匀，并且具有暗对比度。（b）HRTEM图像以及纳米夹杂物之一的衍射图样，表明其非晶态。（c）SEM/EDS图像显示微米级夹杂物富含O，Si，Mn和Al。（d）纳米级夹杂物的STEM / EDS图像，其元素组成与微米级夹杂物相似。STEM / EDS图还显示了Cr和Mo偏析到凝固的胞壁上。（e）常规316L SS中常见的MnS夹杂物的SEM / EDS分析，表明夹杂物的尾部（箭头所示）确实是MnS夹杂物。

图4.（a）在0.6 M NaCl溶液中记录的动电极化曲线，表示SLM生产的316L SS的无源电流密度与常规生产的相当。（b）在1N H2SO4中记录的电位动力学极化曲线表明，DMLS生产的316L SS的无源电流密度几乎是其常规生产的无源电流密度的8倍。

图7.孔隙率范围为0.015到7的AM奥氏体不锈钢样品的典型点蚀电位与孔隙率的关系表明，孔隙率对耐点蚀性有重大影响。

图9 浸入FeCl3溶液中一周后，AM奥氏体不锈钢的孔发展的三维CT分析。（a，b）显示出低密度（~97.3％）SLM生产的样品，显示出高水平的腐蚀，导致整个样品内部被腐蚀，仅留下一个壳体。（c，d）显示了SLM生产的更高密度（~99.1％）样品的CT重建图像，浸没测试后形成了两个大坑（在（d）中用橙红色表示）。（e，f）是在浸入FeCl3溶液之前和之后在（d）中形成下凹坑的区域的放大图。（e，f）中的不同灰度图案表示单个LOF孔。只有当腐蚀性电解液从外表面渗入样品时，材料内部的腐蚀才会发生。侵蚀性电解液的可能进入点在（e）中标记为1-4，其他两个对准点标记为A和B。白色椭圆表示腐蚀引起的凹坑消耗了一些LOF孔。

图11 经过不同后处理的AM 316L SS横截面的（a，c，e，g）SEM图像和（b，d，f，h）EBSD IPF图：（a，b）AM制备，（c，d）电抛光，（e，f）抛光机抛光，（g，h）反向扫描/重熔。（i，j）在21±1°C下于0.6 M NaCl溶液中记录的具有不同表面处理条件的AM样品的代表性电势极化曲线。

图14 热后处理后夹杂物转变对SLM生产的316L SS的点蚀性能的影响。（a）经热处理的SLM生产的样品的点蚀电位值，表明在1000°C以上热处理样品的点蚀电位急剧下降。（b）基于SEM / EDS分析测得的MnS夹杂物数量密度与热处理条件的关系，这表明当温度高于1000°C时，由SLM生产的316L SS中会形成MnS夹杂物。给出了SLM生产的316L SS的MnS夹杂物的两个例子的SEM / EDS图像，在（c）1200°C热处理60分钟，（d）1100°C热处理15分钟

图15 后期热处理对AM和锻造PH不锈钢的晶粒形态和相组成的影响。EBD-IPF图：AM 17-4PH不锈钢（a）AM后不做处理低放大倍率，（b）AM后不做处理高放大倍率，（c）在1038°C下固溶退火4 h，（d）固溶退火，然后在482 ℃下时效1小时；在（e）锻造后不做处理和（f）固溶退火条件下的锻造17-4PH不锈钢。（g）在不同的热处理条件下，锻造和AM 17-4PH不锈钢的XRD图谱，显示出它们的相组成。

通常，由于不存在有害的夹杂物/沉淀物，特别是MnS夹杂物，因此高密度AM不锈钢的耐点蚀性高于其常规生产的同类产品。但是，使用AM后热处理（尤其是高于1000°C的热处理）来释放AM不锈钢中的残余应力可能会导致有害夹杂物/析出物的出现，从而导致耐点蚀性降低。

图16. AM和17-4PH变形不锈钢的沉淀行为。在AM 17-4PH不锈钢（a）不做处理，（b）固溶退火和（d）时效处理后固溶退火，锻造17-4PH不锈钢（c）固溶退火和（e）时效处理后固溶退火的条件下夹杂物/析出物的STEM / EDS分析。

图19.（a，c）的EBSD IPF图和（b，d）是（a，b）不做处理和（c，d）热处理的AM双相不锈钢的相组成图。

AM不锈钢的独特显微组织特征会导致许多意外的局部腐蚀行为。AM不锈钢的再钝化能力较弱，因此其抗腐蚀性能也较弱。当进行长期的敏化热处理时，AM奥氏体不锈钢对IGC的抵抗力显着提高，这归因于AM材料中孪晶的高密度和低角度晶界。

图23.过硫酸盐侵蚀后的光学显微照片，（a）常规生产的316L SS在675°C下敏化24 h和（b）SLM生产的316L SS在675°C下敏化1 h，这表明与SLM生产的316L SS相比，常规生产的316L SS需更长的时间敏化。

图24. AM奥氏体不锈钢的晶间腐蚀行为。（a）通过将阳极电势从开路电势施加到+0.3 V，然后以1.677 mV s-1的扫描速率将电势反转到起始点，在0.5 M H2SO4 + 0.01 M KSCN中记录的DL-EPR曲线，（b）通过将反向扫描（Ir）的峰值电流密度除以正向扫描（Ia）的峰值电流密度测得的DOS值。请注意，样品已在700°C敏化60小时，然后水淬。在相同的实验条件下，DOS曲线显示的SLM生产的316L SS值比常规生产的316L SS值要低得多，这意味着SLM生产的316L对IGC的抵抗力非常高。DL-EPR试验后的晶界的FIB截面显示，常规生产的316L SS（c，d）的晶界发生了广泛的晶间腐蚀，而SLM生产的316L SS试样的晶间侵蚀小得多（e，f）。

图25.（a）循环裂纹扩展速率与ΔK的关系，以及（b）采用不同后处理的AM 316L SS裂纹扩展速率与加载频率的关系。

图26. AM不锈钢的氢损伤行为。在50 mA cm-2下充氢4小时之前（a，c）和之后（b，d）的（a，b）常规和（c，d）SLM生产的316L SS的EBSD相分析图。在PEMFC模拟的溶液中于70°C进行电势极化测试后，（e，f）常规生产的和（g，h）SLM生产的316L SS的表面形态

目前，对AM不锈钢的腐蚀行为的研究仍处于起步阶段，仍然需要更多的工作来量化AM不锈钢对主要形式的局部腐蚀在不同实际腐蚀环境条件下的抵抗力。