晶界钝化策略实现低成本不锈钢的抗氢脆与耐腐蚀协同提升

《SCIENCE ADVANCES》：Segregation passivation makes cost-effective stainless steel resistant to corrosion and hydrogen embrittlement

本研究针对氢经济关键材料不锈钢面临的氢脆(HE)与腐蚀协同失效难题，通过晶界(GB)氮原子 segregation 钝化设计，开发出成本仅为4.15 $/kg的Fe-20Cr-9Ni基奥氏体不锈钢(CASS)。该材料在室温下实现超低氢扩散系数(7.8×10?17m2/s)，抗氢脆指数(EI)达-3.9%，腐蚀抗力较316L提升3.8倍，为氢能基础设施提供了兼具经济性与可靠性的材料解决方案。

　　

随着全球碳中和目标的推进，氢能作为一种清洁能源载体正受到前所未有的关注。然而，氢能产业链中的关键材料——不锈钢，在氢气环境中长期面临着严峻的挑战：氢原子渗入材料内部会导致氢脆(HE)，显著降低材料的韧性和耐久性；同时，腐蚀过程不仅本身破坏材料，还会产生氢原子，进一步加剧氢脆风险。这种氢脆与腐蚀的协同作用，可能引发关键基础设施的灾难性失效，严重制约氢能技术的规模化应用。传统不锈钢如316L虽具备良好耐腐蚀性，但抗氢脆能力不足，而高性能合金往往成本高昂难以推广。因此，开发兼具优异抗氢脆、耐腐蚀特性且成本可控的新型不锈钢材料，成为推动氢经济落地的迫切需求。

为破解这一难题，研究团队在《SCIENCE ADVANCES》上发表论文，提出了一种创新的晶界(GB)钝化策略。通过精准的合金设计，研制出名义成分为Fe-20Cr-9Ni-2.5Mn-1.6Mo-1Cu-0.2N (wt%)的成本效益型奥氏体不锈钢(CASS)。该材料的创新之处在于利用氮(N)原子在晶界处的选择性偏聚(segregation)，从原子尺度实现对材料最薄弱环节的“钝化”，从而同时提升抗氢脆和耐腐蚀性能。

研究过程中，作者主要运用了以下几项关键技术方法：通过热力学计算指导合金成分设计，确保奥氏体单相稳定性；采用真空感应熔炼结合控氮技术制备合金，并通过冷轧及再结晶退火获得均匀微观结构；利用电化学充氢和气相充氢结合准静态拉伸测试评价氢脆敏感性；通过原子探针断层扫描(APT)和透射电子显微镜(TEM)表征元素分布及晶体结构；采用第一性原理计算(DFT)模拟氮、氢原子在晶界的相互作用能；通过电化学极化测试、Mott-Schottky分析及X射线光电子能谱(XPS)表征腐蚀行为与被动膜特性。

设计 workflow

研究首先建立了一套集成成分-结构-性能的合金设计流程。通过筛选典型奥氏体不锈钢成分并优化Fe-Cr-Ni-C比例，在保证单相奥氏体结构前提下，利用热力学计算确定氮的固溶度及晶界偏聚条件，再结合耐点蚀当量(PREN)、E-pH图等参数界定功能元素(Cu, Mo, Mn, N)的成分范围，协同提升面心立方(FCC)基体及其被动膜的耐腐蚀与抗氢脆性能。

Microstructures and HE resistance

微观结构表征显示CASS为单相FCC结构，平均晶粒尺寸18μm，无第二相析出。力学性能测试表明，经168小时电化学充氢(50 mA/cm²)后，材料抗拉强度从731.4 MPa升至753.9 MPa，延伸率保持在56.9%，未出现氢脆现象。氢渗透实验测得有效氢扩散系数(D_eff)低至7.8×10^?17m²/s，embrittlement index (EI)为-3.9%，显著优于传统不锈钢及高熵合金。

Density functional theory

原子探针断层扫描(APT)证实氮在晶界处富集(浓度1.06 at%)。密度泛函理论(DFT)模拟揭示，氮偏聚使氢在晶界的偏聚能由负转正(-3.798 eV变为正值)，抑制氢向晶界迁移；同时，氮的存在降低了氢的脆化能，从热力学层面解释了晶界钝化机制。

Fracture and deformation behavior

断口分析显示充氢后样品仍保持韧性断裂特征，无脆性裂纹。变形机制研究表明，氢原子通过降低堆垛层错能(从32.43 mJ/m²降至22.57 mJ/m²)，促进形变纳米孪晶生成，产生动态Hall-Petch效应，反而提升应变硬化能力。

Corrosion resistance

电化学测试表明，CASS在稀盐酸、硫酸及氢氧化钠溶液中均呈现更宽的钝化区及更低电流密度。被动膜分析发现其表面形成小于8nm的致密氧化膜，富含Cr、Ni、Mo、Cu氧化物，Cr₂O₃含量达13.44 at%，且Cr_ox/Cr_hy比值高达1.35，缺陷密度低，具备优异抗点蚀与均匀腐蚀能力。

研究结论表明，通过晶界氮钝化设计的新型不锈钢成功实现了抗氢脆与耐腐蚀的性能协同，其经济性(4.15 $/kg)与低碳足迹(2.104 t CO₂eq/t)为氢能大规模储运、电解制氢等场景提供了理想材料解决方案。该晶界钝化策略可拓展至其他合金体系，为耐环境损伤材料开发提供了新范式。