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增材制造316L不銹鋼應(yīng)力腐蝕研究進(jìn)展

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

316L奧氏體不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性、抗氧化性以及良好的可加工性等優(yōu)勢(shì)，在化工容器、核電電堆、生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。

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

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(shù)（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：?jiǎn)袅▎袅ǎ?/span>

DED工作原理（來源：?jiǎn)袅▎袅ǎ?/span>

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(tǒng)工藝的限制，從微米粉末進(jìn)行激光熔合能極大提高316L的力學(xué)性能，一體化成形技術(shù)避免了開孔、焊接、固定等工藝對(duì)材料的負(fù)面影響。

SLM制備的316L不銹鋼，在熔池中心的組織呈現(xiàn)等軸晶，熔池邊界則呈現(xiàn)長(zhǎng)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(jié)構(gòu)發(fā)生從平板狀到胞狀再到樹枝狀的轉(zhuǎn)變，晶胞具有各向異性。

DED工藝下不同溫度梯度、形核生長(zhǎng)速率以及晶粒尺寸對(duì)組織都有一定的影響，樣品存在沿著打印方向生長(zhǎng)的柱狀晶。DED工藝熱源處溫度高于遠(yuǎn)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(xiàn)象。

增材制造316L不銹鋼微觀缺陷

增材制造316L不銹鋼

應(yīng)力腐蝕行為

由于激光增材制造工藝特殊的冶金環(huán)境，AM316L不銹鋼通常具有較為特殊的孿晶及網(wǎng)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(qiáng)腐蝕離子侵襲和復(fù)雜應(yīng)力的雙重作用下，AM316L不銹鋼特定環(huán)境內(nèi)的應(yīng)力腐蝕行為與傳統(tǒng)鍛造不銹鋼存在巨大差異。

SLM、DED工藝下微觀組織對(duì)其應(yīng)力腐蝕行為的影響

陽極溶解

表面鈍化膜在拉伸應(yīng)力作用下發(fā)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(zhì)-H⁺/OH^-/Cl^--微電池，通過陽極極化發(fā)生區(qū)域迅速溶解并生成腐蝕通道和微裂紋。上述的陽極溶解機(jī)理主要可以分為滑移溶解（slide dissolution）機(jī)理和鈍化膜破裂（oxide film crack）機(jī)理兩種。

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

(1) 裂紋萌生均源于表面鈍化膜的破裂；

(2) 裂紋擴(kuò)展取決于外應(yīng)力和膜致應(yīng)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(jié)構(gòu)中Schmidt因子較大的孿晶、位錯(cuò)、滑移帶等發(fā)生滑動(dòng)位移行為；

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

陽極溶解機(jī)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(kuò)展的SCC過程稱為氫致開裂型應(yīng)力腐蝕過程。相較于常規(guī)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(yīng)力集中位置，因此導(dǎo)致該處具有更大傾向優(yōu)先成為SCC的微裂紋萌生點(diǎn)，最終引發(fā)宏觀的SCC裂紋擴(kuò)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(wǎng)格狀和柱狀，具有顯著的各向異性，在應(yīng)力作用下會(huì)導(dǎo)致局部不協(xié)調(diào)塑性變形。柱狀晶胞使得氫更易進(jìn)入晶胞內(nèi)部，且易存在于亞穩(wěn)奧氏體/馬氏體相交界處、片層狀馬氏體等脆性區(qū)域，在應(yīng)力作用下形成亞臨界擴(kuò)展裂紋產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，隨著應(yīng)力加持和塑性應(yīng)變，多個(gè)微裂紋逐漸生長(zhǎng)合并為大裂紋，誘發(fā)SCC行為。

氫脆（來源：?jiǎn)袅▎袅ǎ?/span>

結(jié)束語

AM316L內(nèi)部特征晶胞為柱狀和網(wǎng)狀晶胞，柱狀晶胞具有各向異性。在激光打印的過程中，微觀組織存在氣孔和未熔化處等特征缺陷，在應(yīng)力誘導(dǎo)作用下易成為應(yīng)力集中點(diǎn)導(dǎo)致SCC行為的發(fā)生。鑒于目前的研究現(xiàn)狀，未來的研究方向可以集中在：

結(jié)合多尺度材料計(jì)算模擬工程技術(shù)，建立AM316L不銹鋼SCC的裂紋尖端生長(zhǎng)速率、應(yīng)力-應(yīng)變方程的理論模型。

利用先進(jìn)原位測(cè)試方法和高通量電化學(xué)測(cè)試技術(shù)，建立SCC腐蝕電化學(xué)和微觀組織演化特征關(guān)聯(lián)的同步信號(hào)，探究各增材制造工藝的特定打印組織特征和特定腐蝕環(huán)境對(duì)SCC行為的影響。

建立面向工程需求的增材制造組織調(diào)控方法，深入探索增材制造316L不銹鋼裂紋尖端的應(yīng)力分配/重構(gòu)準(zhǔn)則及其對(duì)主控裂紋生長(zhǎng)的影響機(jī)制。

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