《Materials Today Communications》：Effect of microstructural heterogeneity on the corrosion behavior of 316
L stainless steel manufactured by laser powder bed fusion
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本研究针对激光粉末床熔融（LPBF）制备的316L不锈钢在核电站关键环境（硼锂溶液/氯化钠溶液）中的腐蚀行为机制不明确问题，通过多尺度表征与电化学测试相结合，系统揭示了LPBF独特非平衡微观结构（高比例低角度晶界、熔池结构、残余应变）与腐蚀性能的构效关系。研究发现LPBF 316L在氯化物环境中具有取向依赖性点蚀抗性和自修复能力，在硼锂环境中表现出全面优于传统轧制材料的钝化膜稳定性，为核级增材制造部件性能预测提供了理论依据。
随着碳中和目标的推进，核能作为低碳基荷能源的重要性日益凸显，而核电站关键部件的材料性能直接关系到反应堆的安全运行寿命。奥氏体不锈钢316L因其均衡的耐腐蚀性和加工性能，被广泛应用于反应堆内部构件。然而，传统制造工艺（如轧制）生产的316L不锈钢在长期服役过程中，面临氯化物应力腐蚀开裂、均匀腐蚀等挑战。特别是采用海水作为最终热汇的三回路系统，更易因氯离子侵入引发局部腐蚀。此外，核电站一回路冷却剂中含有的硼酸和氢氧化锂，虽用于调节反应性，但长期高温高压环境下仍可能影响材料钝化膜的稳定性。
激光粉末床融合（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）作为一种极具潜力的增材制造技术，能够直接成形传统工艺难以实现的复杂几何结构，为核电站部件的轻量化与功能集成化制造提供了新途径。但LPBF过程极高的冷却速率和温度梯度，使得成形的316L不锈钢呈现出与传统轧制材料截然不同的微观结构，例如独特的熔池形貌、高密度的低角度晶界（Low-Angle Grain Boundaries, LABs）以及显著残余应变。这种“非平衡”微观结构如同一把双刃剑：一方面可能带来优异的力学性能，另一方面也可能引入复杂的、与环境相关的腐蚀行为，其在核电站特定环境下的腐蚀机理尚不清晰，这严重制约了LPBF 316L在核能领域的可靠应用。
为了解决这一问题，来自北京科技大学国家材料服役安全科学中心的研究团队在《Materials Today Communications》上发表了最新研究成果，系统对比研究了LPBF制备的316L不锈钢与传统轧制固溶（Rolled, R）316L在模拟核电站一回路冷却水（含锂硼酸溶液）和三回路冷却水（3.5 wt.% NaCl溶液）中的腐蚀行为与机理。研究旨在阐明LPBF工艺诱导的微观结构异质性如何影响其在不同腐蚀环境下的性能，为核级增材制造部件的设计与安全评价提供科学依据。
研究人员综合运用了光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、X射线衍射（XRD）进行了细致的微观结构表征，并通过动电位极化、电化学阻抗谱（EIS）、双环动电位再活化法（DL-EPR）等电化学测试手段评估了材料的腐蚀性能。所有LPBF样品均保持打印态，未进行后续热处理，以纯粹反映增材制造微观结构的影响。
研究结果揭示，LPBF 316L的腐蚀性能优势具有环境适应性。在3.5 wt.% NaCl溶液中，LPBF 316L表现出显著的各向异性点蚀抗性，其中XOZ和XOY面具有最优的耐点蚀性能。更引人注目的是，LPBF 316L展现出独特的“自修复”能力：在钝化膜发生局部破裂后，其阻抗值不降反升，表明其非平衡微观结构（如高密度位错和亚晶界）为铬等钝化元素提供了快速扩散通道，实现了“选择性再钝化”。相比之下，传统轧制316L在钝化膜受损后修复能力有限。在模拟一回路环境的硼锂溶液中，腐蚀模式以均匀腐蚀为主，此时LPBF 316L在所有取向上（XOZ, YOZ, XOY）的耐腐蚀性能均优于轧制316L。这归因于LPBF快速凝固形成的夹杂物细化基体和细小胞状亚结构，有利于形成更致密稳定的钝化膜。
3.1.1. XRD图谱分析
XRD分析表明，LPBF 316L主要以奥氏体γ相为主，衍射峰强度在不同晶面间差异细微，暗示其腐蚀性能的各向异性可能较弱。
3.1.2. 金相显微组织
OM观察显示，LPBF 316L在XOZ和YOZ面呈现规则的鱼鳞状熔池结构，熔池边界清晰。XOY面则显示出层状制造的特征，即下层熔池的近柱状形态和上层新沉积熔池的典型椭圆截面。
3.1.3. 晶粒取向
EBSD反极图显示，LPBF 316L的晶粒尺寸明显细化，且由于采用了层间旋转扫描策略，材料没有表现出强烈的择优取向，微观结构更均匀。
3.1.4. 晶粒尺寸
晶粒尺寸分布分析表明，LPBF 316L的晶粒主要集中在10-15 μm范围内，而轧制316L则呈现双峰分布（<5 μm和>50 μm）。LPBF样品在不同方向上晶粒尺寸存在各向异性，XOZ面含有最多的大于50 μm的粗大晶粒。
3.1.5. 晶界特征分布
EBSD定量分析表明，LPBF 316L在所有主要面上均含有显著比例的低角度晶界（LABs, 31.6%-35.9%），而轧制316L则以高角度晶界为主（95.8%）。低角度晶界通常具有更高的耐晶间腐蚀能力。
3.1.6. 残余应变
通过核平均误取向（KAM）和几何必需位错（GND）密度分析发现，LPBF样品的残余应变是轧制样品的2-4倍，这源于打印过程中的热循环和快速凝固。
3.2.1. 晶间腐蚀抗力
DL-EPR测试表明，LPBF和轧制316L均未出现明显的再活化峰，说明两种材料在测试条件下都具有良好的抗晶间腐蚀能力，未发生敏化。
3.2.2. 氯化物诱导的钝化行为
在3.5 wt.% NaCl溶液中的动电位极化测试显示，LPBF 316L的YOZ面腐蚀电位最负，耐点蚀性相对较差；而XOZ和XOY面则表现出更高的点蚀击穿电位，耐点蚀性能优异。轧制316L的极化曲线则观察到电流波动，表明存在亚稳态点蚀。
3.2.3. 钝化膜的原位自修复与强化
通过对比损伤前后的EIS谱图发现，LPBF 316L在经历点蚀引发后，其阻抗弧半径普遍增大，特别是YOZ和XOY面增幅显著，证明其钝化膜具备强大的自修复能力。相反，轧制316L的阻抗弧在损伤后明显收缩，表明其钝化膜修复能力有限。Bode图相角分析也支持了这一结论，LPBF样品在损伤后相角更接近-90°，电容行为更明显，意味着钝化膜更致密稳定。
3.2.4. 在含硼介质中增强的腐蚀抗力
在模拟一回路水的硼锂溶液中，LPBF 316L所有取向的腐蚀电位均高于轧制316L，腐蚀电流密度更低，且未观察到钝化膜击穿。EIS测试也显示LPBF 316L具有更大的阻抗弧半径，表明其在此环境中形成了更稳定的钝化膜，耐均匀腐蚀能力更强。
本研究结论明确指出，LPBF 316L不锈钢因其独特的非平衡微观结构，在不同的核电站相关腐蚀环境中展现出 adaptive 的防护机制。在氯化物环境中，其优势体现在取向相关的点蚀抗性和快速的微观结构驱动的自修复能力；而在硼锂环境中，优势则源于其本征的、更优异的钝化稳定性。这种根据环境威胁类型自动调整防护策略的能力，是传统轧制316L所不具备的。该研究不仅深化了对增材制造金属材料腐蚀行为的理解，而且为利用LPBF技术设计和制造适用于苛刻腐蚀环境（如核电站一回路部件、海水冷却辅助换热器等）的高性能部件提供了关键的科学依据和实验数据支持。研究揭示的微观结构-性能关联性，可直接用于指导优化LPBF工艺参数以获得目标耐腐蚀微观结构，并对增材制造部件在特定核电站服役环境下的可靠性评估具有重要指导意义。
