日前，武汉理工大学朱晓萌副教授团队《Electrochimica Acta》期刊上发表最新研究成果“Influence of intrinsic manufacturing defects on corrosion behavior of AISI 420 stainless steel fabricated by laser powder bed fusion”。
在该研究中，采用L-PBF制造420不锈钢，工艺参数如下：激光功率140W、扫描速度550mm/s、光斑尺寸80μm和50μm层厚度。所得样品的孔隙率为0.42%，未熔合(LOF)孔隙的平均尺寸为18μm，元素C和Cr的烧蚀率分别约为35.9%和18.0%。对L-PBF试样和铸造420不锈钢的耐腐蚀性能进行了比较分析。尽管表现出非凡的机械性能，L-PBF样品的耐腐蚀性能较低，并且未能产生钝化区。LOF孔隙和激光增材本征制造工艺产生的元素烧蚀是造成这一结果的主要原因。研究中观察到两种不同的腐蚀机制。LOF孔表现出较高的点蚀敏感性，导致形成尺寸约为100μm的较大点蚀坑。相反，无LOF区域显示存在较小的点蚀成核，测量值<2μm。这一观察结果归因于C元素的烧蚀，导致Cr/C含量增加28%。无LOF区域中较高的Cr/C提供了增强的保护，从而防止在这些区域中形成更大的点蚀坑。
本文亮点：
（1）L-PBF样品中LOF孔的存在增加了其对点蚀的敏感性。
（2）LOF孔隙和Cr元素烧蚀会导致被动区域的损失。
（3）高Cr/C含量会导致无LOF区域腐蚀，产生点蚀形核。
（4）点蚀成核由尺寸约为100nm的M7C3碳化物引发。
图 1. (a) 和 (c) 分别从 L-420 和 C-420 样本拍摄的 SEM 图像，(b) 从 (a) 中的白框中拍摄的更高放大倍率图像，以显示 L-420 和 C-420 样本的 LOF 缺陷 420 样品，(d) L-420 样品内部缺陷的 3D 重建图像，(e) 和 (f) 分别蚀刻的 L-420 和 C-420 样品的 SEM 图像，显示晶粒和碳化物，(g) L-420 和 C-420 样品的 XRD 谱，(h) 和 (i) L-420 和 P-420 样品的 Cr 2p 和 Fe 2p 的 XPS 谱拟合曲线。
图 2. L-420、L-420-Q、C-420 和 C-420-Q 样品的动电位极化曲线、腐蚀电位 (E.) 和腐蚀电流密度 (i.) 列于表中。
图3. (a)和(c)是L-420和L-420-Q样品的奈奎斯特图和相应的伯德图，(b)和(d)是C-420和C的奈奎斯特图和相应的伯德图 -420-Q 样本，(e) 用于分析 EIS 参数的等效电路图模型。
图4.高分辨率电子探针图，(a)L-420-E样品,(b)具有较大点蚀核的L-420-E样品,(c)L-420-Q-E样品。
结论展望：
在该研究中，对L-PBF制造的420不锈钢的腐蚀行为进行了系统研究，并与铸造420不锈钢进行了比较。对L-PBF试样的显微组织、微观形貌、物相和元素分布进行了分析，以阐明影响L-PBF试样耐腐蚀性能的因素。得出以下结论：
1、L-PBF工艺固有的快速加热和冷却速率导致了各种缺陷。样品表现出均匀分布的LOF孔隙，尺寸约为30μm。在样品表面还观察到Cr和Fe元素的周期性分布，这可能会损害钝化膜的均匀性。此外，还发现了尺寸约为100nm的M7C3碳化物，由于C元素的烧蚀，观察到的碳化物较少（~35.9%）。
2、PDP和EIS测试结果表明，L-PBF样品的耐腐蚀性较差，原因是缺少LOF孔隙和Cr烧蚀造成的钝化区(∼18.0%)。L-PBF样品表现出较低的腐蚀电位、较高的腐蚀电流密度、较小的电容环半径和极化电阻。MnS的存在对L-420-Q的耐腐蚀性产生不利影响。相反，钝化区的形成显着增强了耐腐蚀性。此外，EIS测试结果表明，L-420样品具有最厚的钝化膜（~3.5nm），这与高Cr/C含量（~45.6）和其表面存在压应力层有关。
3、L-PBF制造的样品中的点蚀优先在LOF孔隙处开始。LOF孔在确定点蚀坑的尺寸和形态方面发挥着重要作用。点蚀坑的扩展速率与LOF孔的大小直接相关，并且扩展只能从孔内部发生，而不能沿着表面发生。最终，点蚀坑的中空表面在应力作用下破裂，形成独特的形态。此外，碳化物、MnS、未熔粉末以及元素分布不均加剧了点蚀，导致了点蚀坑形态的多样性。
4、在无缺陷区域，高Cr/C含量和压应力下的腐蚀过程导致形成点蚀形核而不是点蚀坑。某些元素的分布会影响点蚀形核的形成和生长过程。在点蚀形核产生的初始阶段，其生长是由碳化物附近的基体腐蚀和MnO的形成驱动的，其特点是贫C、富Mn。随着点蚀形核的扩大，MnS的溶解主导了其生长，而Cr2O3钝化膜则破裂。同时，点蚀形核的特征是由基体中残留的碳化物和S析出物产生的富C、贫Mn、贫Cr和富S。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.electacta.2023.143067
