增材制造316L不锈钢应力腐蚀研究进展

| 3DScienceValley · 2023/06/13

文章来源于材料工程作者招晶鑫

应力腐蚀开裂是不锈钢零部件失效的主要形式之一, 是材料力学和腐蚀电化学交叉领域的重要研究方向。与传统工艺制备相比, 增材制造技术制备的316L不锈钢内部微观组织复杂, 存在增材制造工艺引起的气孔、未熔合区等固有缺陷, 导致其应力腐蚀行为更为复杂。

在《材料工程》期刊中发表的《增材制造316L不锈钢应力腐蚀研究进展》一文，基于国内外关于增材制造316L不锈钢的研究实例, 综述了应力腐蚀行为特征及主控机制, 包括氢致开裂和阳极溶解两种应力腐蚀机理、穿晶断裂和沿晶解理两种作用形式, 并归纳了孪晶、异种晶相交界处、气孔及未熔合处、元素偏析等组织结构缺陷等对增材制造316L不锈钢应力腐蚀的影响。针对电化学噪声、高分辨中子衍射、三维形貌表征等三种原位测试方法在不锈钢应力腐蚀行为研究方面的现状和技术优势进行了总结。最后提出了高温辐照等严苛环境下的应力腐蚀行为特征研究, 以及裂纹尖端应力分配模型及重构准则等增材制造不锈钢应力腐蚀未来的研究方向。本期谷.专栏将分享其中的要点。

论文链接：

http://jme.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1001-4381.2022.000515

316L奥氏体不锈钢具有优异的耐腐蚀性、抗氧化性以及良好的可加工性等优势，在化工容器、核电电堆、生物医用材料等领域应用极为广泛。增材制造技术(additive manufacturing, AM)是一种以数字模型为基础，采用粉末状金属作为原料，通过小熔zai 池快速凝固技术和区域搭接焊接方式来制造具有复杂外观结构构件的技术，为316L不锈钢的个性化、特殊化应用提供了新型技术。在新型增材制造工艺中，采用激光作为热源的选择性激光熔化技术(selective laser melting, SLM)和定向能量沉积成型工艺(directed energy deposition, DED)研究较多。

增材制造316L基本组织特征

激光成形的AM316L不锈钢突破了传统工艺的限制，从微米粉末进行激光熔合能极大提高316L的力学性能，一体化成形技术避免了开孔、焊接、固定等工艺对材料的负面影响。

SLM制备的316L不锈钢，在熔池中心的组织呈现等轴晶，熔池边界则呈现长条状晶粒，组织形貌通常归因于冷却速度，冷却速度越快，凝固后微观结构发生从平板状到胞状再到树枝状的转变，晶胞具有各向异性。DED工艺下不同温度梯度、形核生长速率以及晶粒尺寸对组织都有一定的影响，样品存在沿着打印方向生长的柱状晶。DED工艺热源处温度高于远离热源处，因而在该处粉末熔合较好，钝化膜厚，基体表面有非常明显的元素偏析现象。

图2 增材制造316L不锈钢微观缺陷

增材制造316L应力腐蚀行为

由于激光增材制造工艺特殊的冶金环境，AM316L不锈钢通常具有较为特殊的孪晶及网状、树枝状晶胞微观组织和气孔、未熔合处等特征冶金缺陷，因而在具有较强腐蚀离子侵袭和复杂应力的双重作用下，AM316L不锈钢特定环境内的应力腐蚀行为与传统锻造不锈钢存在巨大差异。

图3 SLM、DED工艺下微观组织对其应力腐蚀行为的影响

阳极溶解

表面钝化膜在拉伸应力作用下发生局部破裂后暴露出不锈钢基体，形成了活泼金属基体-腐蚀介质-H+/OH-/Cl–微电池，通过阳极极化发生区域迅速溶解并生成腐蚀通道和微裂纹。上述的阳极溶解机理主要可以分为滑移溶解（slide dissolution）机理和钝化膜破裂（oxide film crack）机理两种。AM316L不锈钢在外应力和膜致应力的共同作用下，底部钝化膜破裂形成不连续微裂纹，随着应力的加持和外界环境的持续作用下，不连续微裂纹逐步扩展并相连，最终形成宏观裂纹。两种阳极溶解机理的共同点在于：(1)裂纹萌生均源于表面钝化膜的破裂；(2)裂纹扩展取决于外应力和膜致应力的双重作用。但也存在一些差别，尤其是钝化膜破裂的原因上：(1)滑移溶解中的钝化膜破裂是由于其微观结构中Schmidt因子较大的孪晶、位错、滑移带等发生滑动位移行为；(2)在钝化膜破裂机理中，主要是由于贫Cr, Mo元素区处的表面钝化膜薄弱而导致的破裂行为。

图4 阳极溶解机理 (a)滑移溶解；(b)钝化膜破裂

氢致开裂

由氢控制裂纹形成和扩展的SCC过程称为氢致开裂型应力腐蚀过程。相较于常规316L不锈钢，AM316L存在由增材工艺带来的气孔和未熔化处等固有特征缺陷，属于应力集中位置，因此导致该处具有更大倾向优先成为SCC的微裂纹萌生点，最终引发宏观的SCC裂纹扩展和开裂失效。AM316L组织均匀性劣于锻造316L，晶粒粗大，晶胞组织呈明显的网格状和柱状，具有显著的各向异性，在应力作用下会导致局部不协调塑性变形。柱状晶胞使得氢更易进入晶胞内部，且易存在于亚稳奥氏体/马氏体相交界处、片层状马氏体等脆性区域，在应力作用下形成亚临界扩展裂纹产生氢脆现象，随着应力加持和塑性应变，多个微裂纹逐渐生长合并为大裂纹，诱发SCC行为。

结束语

AM316L内部特征晶胞为柱状和网状晶胞，柱状晶胞具有各向异性。在激光3D打印的过程中，微观组织存在气孔和未熔化处等特征缺陷，在应力诱导作用下易成为应力集中点导致SCC行为的发生。鉴于目前的研究现状，未来的研究方向可以集中在：(1)结合多尺度材料计算模拟工程技术，建立AM316L不锈钢SCC的裂纹尖端生长速率、应力-应变方程的理论模型。(2)利用先进原位测试方法和高通量电化学测试技术，建立SCC腐蚀电化学和微观组织演化特征关联的同步信号，探究各增材制造工艺的特定3D打印组织特征和特定腐蚀环境对SCC行为的影响。(3)建立面向工程需求的增材制造组织调控方法，深入探索增材制造316L不锈钢裂纹尖端的应力分配/重构准则及其对主控裂纹生长的影响机制。

论文原文引用信息：

招晶鑫，淡振华，孙中刚，张崇宏，常辉.增材制造316L不锈钢应力腐蚀研究进展[J]. 材料工程, 2023, 51(5): 1-13.

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