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增材制造316L不銹鋼應力腐蝕研究進展

2023-06-01 14:30:19 作者：招晶鑫，淡振華等來源：腐蝕與防護分享至：

316L奧氏體不銹鋼具有優異的耐腐蝕性、抗氧化性以及良好的可加工性等優勢，在化工容器、核電電堆、生物醫用材料等領域應用極為廣泛。

增材制造技術（additive manufacturing，AM）是一種以數字模型為基礎，采用粉末狀金屬作為原料，通過小熔池快速凝固技術和區域搭接焊接方式來制造具有復雜外觀結構構件的技術，為316L不銹鋼的個性化、特殊化應用提供了新型技術。

在新型增材制造工藝中，采用激光作為熱源的選擇性激光熔化技術（selective laser melting，SLM）和定向能量沉積成型工藝（directed energy deposition，DED）研究較多。

SLM工藝原理（來源：嗶哩嗶哩）

DED工作原理（來源：嗶哩嗶哩）

增材制造316L不銹鋼

基本組織特征

激光成形的AM316L不銹鋼突破了傳統工藝的限制，從微米粉末進行激光熔合能極大提高316L的力學性能，一體化成形技術避免了開孔、焊接、固定等工藝對材料的負面影響。

SLM制備的316L不銹鋼，在熔池中心的組織呈現等軸晶，熔池邊界則呈現長條狀晶粒，組織形貌通常歸因于冷卻速度，冷卻速度越快，凝固后微觀結構發生從平板狀到胞狀再到樹枝狀的轉變，晶胞具有各向異性。

DED工藝下不同溫度梯度、形核生長速率以及晶粒尺寸對組織都有一定的影響，樣品存在沿著打印方向生長的柱狀晶。DED工藝熱源處溫度高于遠離熱源處，因而在該處粉末熔合較好，鈍化膜厚，基體表面有非常明顯的元素偏析現象。

增材制造316L不銹鋼微觀缺陷

增材制造316L不銹鋼

應力腐蝕行為

由于激光增材制造工藝特殊的冶金環境，AM316L不銹鋼通常具有較為特殊的孿晶及網狀、樹枝狀晶胞微觀組織和氣孔、未熔合處等特征冶金缺陷，因而在具有較強腐蝕離子侵襲和復雜應力的雙重作用下，AM316L不銹鋼特定環境內的應力腐蝕行為與傳統鍛造不銹鋼存在巨大差異。

SLM、DED工藝下微觀組織對其應力腐蝕行為的影響

陽極溶解

表面鈍化膜在拉伸應力作用下發生局部破裂后暴露出不銹鋼基體，形成了活潑金屬基體-腐蝕介質-H⁺/OH^-/Cl^--微電池，通過陽極極化發生區域迅速溶解并生成腐蝕通道和微裂紋。上述的陽極溶解機理主要可以分為滑移溶解（slide dissolution）機理和鈍化膜破裂（oxide film crack）機理兩種。

AM316L不銹鋼在外應力和膜致應力的共同作用下，底部鈍化膜破裂形成不連續微裂紋，隨著應力的加持和外界環境的持續作用下，不連續微裂紋逐步擴展并相連，最終形成宏觀裂紋。兩種陽極溶解機理的共同點在于：

(1) 裂紋萌生均源于表面鈍化膜的破裂；

(2) 裂紋擴展取決于外應力和膜致應力的雙重作用。

但也存在一些差別，尤其是鈍化膜破裂的原因上：

(1) 滑移溶解中的鈍化膜破裂是由于其微觀結構中Schmidt因子較大的孿晶、位錯、滑移帶等發生滑動位移行為；

(2) 在鈍化膜破裂機理中，主要是由于貧Cr，Mo元素區處的表面鈍化膜薄弱而導致的破裂行為。

陽極溶解機理 (a)滑移溶解；(b)鈍化膜破裂

氫致開裂

由氫控制裂紋形成和擴展的SCC過程稱為氫致開裂型應力腐蝕過程。相較于常規316L不銹鋼，AM316L存在由增材工藝帶來的氣孔和未熔化處等固有特征缺陷，屬于應力集中位置，因此導致該處具有更大傾向優先成為SCC的微裂紋萌生點，最終引發宏觀的SCC裂紋擴展和開裂失效。

AM316L組織均勻性劣于鍛造316L，晶粒粗大，晶胞組織呈明顯的網格狀和柱狀，具有顯著的各向異性，在應力作用下會導致局部不協調塑性變形。柱狀晶胞使得氫更易進入晶胞內部，且易存在于亞穩奧氏體/馬氏體相交界處、片層狀馬氏體等脆性區域，在應力作用下形成亞臨界擴展裂紋產生氫脆現象，隨著應力加持和塑性應變，多個微裂紋逐漸生長合并為大裂紋，誘發SCC行為。