日前，武漢理工大學朱曉萌副教授團隊《Electrochimica Acta》期刊上發表最新研究成果“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，并且未能產生鈍化區。LOF孔隙和激光增材本征制造工藝產生的元素燒蝕是造成這一結果的主要原因。研究中觀察到兩種不同的腐蝕機制。LOF孔表現出較高的點蝕敏感性，導致形成尺寸約為100μm的較大點蝕坑。相反，無LOF區域顯示存在較小的點蝕成核，測量值<2μm。這一觀察結果歸因于C元素的燒蝕，導致Cr/C含量增加28%。無LOF區域中較高的Cr/C提供了增強的保護，從而防止在這些區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元素燒蝕會導致被動區域的損失。

（3）高Cr/C含量會導致無LOF區域腐蝕，產生點蝕形核。

（4）點蝕成核由尺寸約為100nm的M7C3碳化物引發。

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的伯德圖，(b)和(d)是C-420和C的奈奎斯特圖和相應的伯德圖 -420-Q 樣本，(e) 用于分析 EIS 參數的等效電路圖模型。

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。得出以下結論：

1、L-PBF工藝固有的快速加熱和冷卻速率導致了各種缺陷。樣品表現出均勻分布的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，還發現了尺寸約為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(?18.0%)。L-PBF樣品表現出較低的腐蝕電位、較高的腐蝕電流密度、較小的電容環半徑和極化電阻。MnS的存在對L-420-Q的耐腐蝕性產生不利影響。相反，鈍化區的形成顯著增強了耐腐蝕性。此外，EIS測試結果表明，L-420樣品具有最厚的鈍化膜（~3.5nm），這與高Cr/C含量（~45.6）和其表面存在壓應力層有關。

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

4、在無缺陷區域，高Cr/C含量和壓應力下的腐蝕過程導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析出物產生的富C、貧Mn、貧Cr和富S。