日前，武漢理工大學(xué)朱曉萌副教授團隊《Electrochimica Acta》期刊上發(fā)表最新研究成果“Influence of intrinsic manufacturing defects on corrosion behavior of AISI 420 stainless steel fabricated by laser powder bed fusion”。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.electacta.2023.143067

在該研究中，采用L-PBF制造420不銹鋼，工藝參數(shù)如下：激光功率140W、掃描速度550mm/s、光斑尺寸80μm和50μm層厚度。所得樣品的孔隙率為0.42%，未熔合(LOF)孔隙的平均尺寸為18μm，元素C和Cr的燒蝕率分別約為35.9%和18.0%。對L-PBF試樣和鑄造420不銹鋼的耐腐蝕性能進行了比較分析。盡管表現(xiàn)出非凡的機械性能，L-PBF樣品的耐腐蝕性能較低，并且未能產(chǎn)生鈍化區(qū)。LOF孔隙和激光增材本征制造工藝產(chǎn)生的元素?zé)g是造成這一結(jié)果的主要原因。研究中觀察到兩種不同的腐蝕機制。LOF孔表現(xiàn)出較高的點蝕敏感性，導(dǎo)致形成尺寸約為100μm的較大點蝕坑。相反，無LOF區(qū)域顯示存在較小的點蝕成核，測量值<2μm。這一觀察結(jié)果歸因于C元素的燒蝕，導(dǎo)致Cr/C含量增加28%。無LOF區(qū)域中較高的Cr/C提供了增強的保護，從而防止在這些區(qū)域中形成更大的點蝕坑。

本文亮點：

（1）L-PBF樣品中LOF孔的存在增加了其對點蝕的敏感性。

（2）LOF孔隙和Cr元素?zé)g會導(dǎo)致被動區(qū)域的損失。

（3）高Cr/C含量會導(dǎo)致無LOF區(qū)域腐蝕，產(chǎn)生點蝕形核。

（4）點蝕成核由尺寸約為100nm的M7C3碳化物引發(fā)。

圖 1. (a) 和 (c) 分別從 L-420 和 C-420 樣本拍攝的 SEM 圖像，(b) 從 (a) 中的白框中拍攝的更高放大倍率圖像，以顯示 L-420 和 C-420 樣本的 LOF 缺陷 420 樣品，(d) L-420 樣品內(nèi)部缺陷的 3D 重建圖像，(e) 和 (f) 分別蝕刻的 L-420 和 C-420 樣品的 SEM 圖像，顯示晶粒和碳化物，(g) L-420 和 C-420 樣品的 XRD 譜，(h) 和 (i) L-420 和 P-420 樣品的 Cr 2p 和 Fe 2p 的 XPS 譜擬合曲線。

圖 2. L-420、L-420-Q、C-420 和 C-420-Q 樣品的動電位極化曲線、腐蝕電位 (E.) 和腐蝕電流密度 (i.) 列于表中。

圖3. (a)和(c)是L-420和L-420-Q樣品的奈奎斯特圖和相應(yīng)的伯德圖，(b)和(d)是C-420和C的奈奎斯特圖和相應(yīng)的伯德圖 -420-Q 樣本，(e) 用于分析 EIS 參數(shù)的等效電路圖模型。

圖4.高分辨率電子探針圖，(a)L-420-E樣品,(b)具有較大點蝕核的L-420-E樣品,(c)L-420-Q-E樣品。

結(jié)論展望：

在該研究中，對L-PBF制造的420不銹鋼的腐蝕行為進行了系統(tǒng)研究，并與鑄造420不銹鋼進行了比較。對L-PBF試樣的顯微組織、微觀形貌、物相和元素分布進行了分析，以闡明影響L-PBF試樣耐腐蝕性能的因素。得出以下結(jié)論：

1、L-PBF工藝固有的快速加熱和冷卻速率導(dǎo)致了各種缺陷。樣品表現(xiàn)出均勻分布的LOF孔隙，尺寸約為30μm。在樣品表面還觀察到Cr和Fe元素的周期性分布，這可能會損害鈍化膜的均勻性。此外，還發(fā)現(xiàn)了尺寸約為100nm的M7C3碳化物，由于C元素的燒蝕，觀察到的碳化物較少（~35.9%）。

2、PDP和EIS測試結(jié)果表明，L-PBF樣品的耐腐蝕性較差，原因是缺少LOF孔隙和Cr燒蝕造成的鈍化區(qū)(∼18.0%)。L-PBF樣品表現(xiàn)出較低的腐蝕電位、較高的腐蝕電流密度、較小的電容環(huán)半徑和極化電阻。MnS的存在對L-420-Q的耐腐蝕性產(chǎn)生不利影響。相反，鈍化區(qū)的形成顯著增強了耐腐蝕性。此外，EIS測試結(jié)果表明，L-420樣品具有最厚的鈍化膜（~3.5nm），這與高Cr/C含量（~45.6）和其表面存在壓應(yīng)力層有關(guān)。

3、L-PBF制造的樣品中的點蝕優(yōu)先在LOF孔隙處開始。LOF孔在確定點蝕坑的尺寸和形態(tài)方面發(fā)揮著重要作用。點蝕坑的擴展速率與LOF孔的大小直接相關(guān)，并且擴展只能從孔內(nèi)部發(fā)生，而不能沿著表面發(fā)生。最終，點蝕坑的中空表面在應(yīng)力作用下破裂，形成獨特的形態(tài)。此外，碳化物、MnS、未熔粉末以及元素分布不均加劇了點蝕，導(dǎo)致了點蝕坑形態(tài)的多樣性。

4、在無缺陷區(qū)域，高Cr/C含量和壓應(yīng)力下的腐蝕過程導(dǎo)致形成點蝕形核而不是點蝕坑。某些元素的分布會影響點蝕形核的形成和生長過程。在點蝕形核產(chǎn)生的初始階段，其生長是由碳化物附近的基體腐蝕和MnO的形成驅(qū)動的，其特點是貧C、富Mn。隨著點蝕形核的擴大，MnS的溶解主導(dǎo)了其生長，而Cr2O3鈍化膜則破裂。同時，點蝕形核的特征是由基體中殘留的碳化物和S析出物產(chǎn)生的富C、貧Mn、貧Cr和富S。