氫“偷偷”腐蝕你的3D打印不銹鋼？ 一項最新研究揭秘微觀變化全過程！

來源：增材金屬粉末新視野

近年來，隨著氫能應用加速推進，其帶來的材料可靠性挑戰(zhàn)日益凸顯。特別是在增材制造（3D打印）廣泛應用于關鍵構件的今天，一個看似不起眼卻致命的問題浮出水面：

"氫氣會不會悄悄腐蝕3D打印的不銹鋼？"
來自中科院、蘇州核電研究院與防城港核電有限公司的聯(lián)合團隊對此展開深入研究，重點關注激光選區(qū)熔化（LPBF）制造的UNS S21900奧氏體不銹鋼在硫酸介質中的耐蝕性能，在不同氫充時間下，其腐蝕行為會發(fā)生什么變化？答案，令人警覺。

研究背景：3D打印不銹鋼的"天然優(yōu)勢"是否足以抵御氫？

UNS S21900是一種含氮高錳奧氏體不銹鋼，具有：
• 高強度
• 良好的耐氫脆性
• 優(yōu)異的耐腐蝕性

同時，3D打印制程帶來的細胞結構、高位錯密度、小晶粒，也被認為提升了其力學與抗氫性能。但這些優(yōu)勢在腐蝕環(huán)境+氫侵入的雙重作用下能否"站穩(wěn)腳跟"？這正是本研究要回答的問題。

實驗方法簡述
• 材料制備：LPBF打印UNS S21900，原料為氣霧化粉末。
• 氫充處理：在0.5 M H₂SO₄ + CH₄N₂S電解液中，以50 mA/cm²電流密度充氫4h/8h/12h。
• 腐蝕測試：極化、EIS、Mott-Schottky、XPS等手段全面分析。

結果1：氫越多，腐蝕越快
如圖所示：

• 極化曲線明顯向左上偏移，表明腐蝕電流增大、鈍化能力下降；

• 被動區(qū)內電流密度從2.95×10⁻⁶ A/cm²（無氫）上升至2.01×10⁻⁵ A/cm²（12h充氫）；

• EIS測試發(fā)現(xiàn)低頻電阻（Rct）下降，誘導環(huán)出現(xiàn)，說明被動膜穩(wěn)定性降低。

結果2：被動膜"結構"遭受破壞
XPS揭示氫顯著改變了膜的組成：
• Fe²⁺/FeOOH 增加，Cr₂O₃/CrN 減少

• O²⁻/OH⁻ 比例從2.25降至0.05，表明金屬氧化物減少、氫氧化物主導 → 被動膜疏松

這意味著什么？
被動膜的保護性能，正是建立在致密穩(wěn)定的氧化層（如Cr₂O₃）之上。當氫促進Cr從膜中流失，更多"易溶解"的Cr(OH)₃、FeOOH取而代之時，被動膜就像脫了"盔甲"。

結果3：微觀結構是"氫通道"？
• ECCI與EBSD（Fig. 1-2）揭示：打印過程中形成的胞狀結構和致密位錯墻為氫擴散提供了便利；

• 這些微觀結構既是"陷阱"，也是"高速公路"；

• 越多氫，越快擴散，越深腐蝕！

結果4：半導體特性惡化
Mott-Schottky測試（Fig. 6-7）顯示：

• 膜仍呈n/p混合型半導體特性；

• 空穴濃度（NA）和電子濃度（ND）大幅提升，分別從 2.67×10²² → 5.83×10²² 和 1.91×10²¹ → 2.74×10²¹；

• 膜中缺陷密度升高 → 腐蝕更容易擴展

總結與展望
總結
氫對3D打印不銹鋼的腐蝕效應路徑如下：

氫充入 → 微觀結構促進擴散 → 被動膜成分改變（Cr↓，F(xiàn)e↑，OH⁻↑）→ 缺陷密度升高 → 腐蝕加劇

未來展望
• 研究建議未來拓展到氯化物環(huán)境、微生物腐蝕等復雜工況；

• 如何通過元素合金設計、表面處理、熱處理提升其抗氫腐蝕能力，仍是關鍵方向；

• LPBF制程參數(shù)優(yōu)化，也許能調控微觀結構，遏制氫侵害路徑！

原文出處：Zhao Q, Luo H, Li C, et al. Hydrogen charging-induced corrosion behavior evolution of an additive-manufactured austenitic stainless steel in sulfuric acid medium. Engineering Failure Analysis, 2025, 178: 109753.