導讀：本文研究了充氫對傳統鍛造和選擇性激（jī）光熔（róng）化316L不鏽鋼（SLMed 316L SSs）的（de）微觀結構和（hé）耐久性的影響。結果（guǒ）表明，由於奧氏體向（xiàng）馬氏體（tǐ）的轉（zhuǎn）化極（jí）少，SLMed 316L 不鏽鋼獲得了優異的抗氫損傷性能，並且腐蝕（shí）優先（xiān）發生在馬氏體部（bù）位。充氫鍛製316 L 不鏽鋼上的鈍化膜（mó）缺陷密度遠高於SLMed對應部分，SLMed 316L SS具有出色的鈍化膜穩定性（xìng）。
隨著對清潔和可持續能源需求的不斷增長，氫燃料電（diàn）池技（jì）術受到越來（lái）越多的關注。質子交換膜燃料電（diàn）池（PEMFC）由於其低噪音和低振動的特性（xìng）而******高效。雙極（jí）板是PEMFC動力組件的關鍵組件，必須優化其（qí）耐用性和製造成本，以允許燃料電池滲透商業市場並與其他能源競爭。雙極板通常充當電池之（zhī）間（jiān）的（de）電（diàn）流導體（tǐ），為反應氣體的流動提供導管（guǎn），並構成電源組的主幹。具有高耐腐蝕（shí）性（xìng）和良好的表麵接觸電阻的複合雙極板通常由石墨和聚合物製成。然而，與金屬的相應性能相比，它們的可製造（zào）性，滲透性和在衝擊和振動下的耐久性是不利的（de）。
選擇性激光熔覆（SLM）是一種粉末（mò）增材製（zhì）造技術，與傳統的模鑄/鑄造工藝相比，它突出了其快速、高度設計自由度和近淨成形加工的獨特優（yōu）勢。因此，該技術可以擴展新穎PEMFC架構的設計自由度，從（cóng）而（ér）提高係（xì）統效率，穩定性和壽命，並降低製造和運行成本。316 L不鏽鋼由於具有足夠的耐（nài）腐蝕性、耐疲勞性和經濟效益，已經成為有前（qián）途的雙（shuāng）極（jí）板材料的（de）候選材料。快速的增材製造方法可以生（shēng）產出可靠的不鏽鋼，從而加速了燃料電池裝置的開發（fā）。
迄今為止，已經進行了許多嚐試來通過製造保護性塗層（例如Nb碳化物擴散（sàn）層，TiN膜和CrN膜）來改善常規製（zhì）造的雙極板的耐腐蝕性。然而，在塗（tú）層製造和雙（shuāng）極板組裝過程中，不可避免地會出現保護塗層或導電塗層中的缺陷，例如夾雜物，劃（huá）痕，針孔和微裂紋。因此，在堆疊操（cāo）作中必（bì）須通過不鏽鋼基板來保護這些區域。為了達到PEMFC的雙極板的耐用性（xìng）目標，特別是在充氫條件下，了解降解機（jī）理並評估（gū）PEMFC環境中增材製造的不（bú）鏽（xiù）鋼的穩定性和壽命也很重要。氫損傷是一個嚴重的（de）問（wèn）題（tí），會導致金（jīn）屬的抗腐蝕和機械性能下降。奧氏體的一（yī）般特征是氫溶解（jiě）度高，氫擴散率相對較低（約10-15至10-16m2/s），但早期已證明氫可增加鈍化膜的表麵活性並降低其穩定性。對於增材製造的奧（ào）氏體不鏽鋼，Baek等（děng）人發現直接金屬（shǔ）沉積的（de）304 L不鏽鋼在高壓氫氣氛中（zhōng）顯（xiǎn）示（shì）出比傳統鍛造更高的（de）抗（kàng）氫脆性。盡管他們沒有給出這種差異（yì）的直接（jiē）證（zhèng）據，但（dàn）他們認為，顯著差異應歸因於（yú）快速粉末燒（shāo）結過（guò）程中形成的複雜的非平衡微觀結（jié）構，以及載（zǎi）荷應力下奧氏（shì）體相的穩定性。同時，氫對選擇性激光熔化的316 L不鏽鋼（SLMed 316 L SS）的顯微組織和耐腐蝕性的影響尚不完全清楚，因此迫切需要進一步闡明。
基於此，北京科技大學李曉剛團隊將SLM和傳統的變形316 L 不鏽（xiù）鋼在0.5M H2SO4和0.25 g/L硫脲溶液中充氫不同時（shí）間。通過掃描（miáo）電子顯微鏡（SEM）、原位電子背散射衍射（EBSD）、X射線衍射（XRD）和透射電（diàn）子顯（xiǎn）微（wēi）鏡（TEM）表征了（le）這些不鏽鋼在（zài）充（chōng）氫前後的微觀結構。研（yán）究鈍化膜的耐（nài）久性和半（bàn）導體特性（xìng），發現SLMed 316L SS具有（yǒu）出色的鈍（dùn）化膜穩定性，實驗結（jié）果為含氫環境中增材製造零件的腐蝕行（háng）為提供了重要理論基礎。相關研究結果（guǒ）以題Superior resistance to hydrogen damage for selective laser melted 316L stainless steel in a proton exchange membrane fuel cell environment發表在腐蝕頂刊《Corrosion Science》上。論（lùn）文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.108425
這項研（yán）究比較（jiào）了在模擬PEMFC溶液中，在以50 mA/cm2的充氫不同時間前後，鍛造和SLM加工的316 L SS的微（wēi）觀結構和耐腐蝕性。在50 mA/cm2的氫氣充入（rù）4 h後，SLMed 316 L SS中的奧氏體幾乎沒有發生馬氏體相變，這歸因於高密度的位錯和精細的微組織結構，從而導致高的（de）納米（mǐ）孿晶和進一步馬氏體的（de）形成應力。在以50 mA/cm2的氫氣充入（rù）4 h後（hòu），鍛製316 L SS上的鈍化膜的缺陷密度大約是SLMed 316 L SS的7倍，表明鈍化膜的穩定性較差。充氫SLM 316 L SS在0.6 VSCE時的電流密度仍低於1μA/ cm2，而充氫變形316 L SS的電流密度遠低於DOE 2020目標。這表明SLMed 316 L組件更適合用作氫（qīng）損壞（huài）環境中的雙極板材料。
圖1.（a）具有複雜結構的PEMFC的示意圖，（b）氣態（tài）化316 L SS的粉末形態，以及（c）帶有***佳印刷參數的SLMed 316 L SS零件。
圖（tú）2.（a）（b）變形316 L SS和（c）（d）SLMed 316 L SS在50 mA/cm2的氫氣中充注（zhù）4 h後的表麵形態。
圖3.通過原位EBSD獲得的反極圖和KAM圖：（a1）（a2）在充氫之前變形316 L SS，（b1）（b2）在以50 mA/cm2充（chōng）氫（qīng）4h之後變形（xíng）316 L SS，（c1）（c2）在充氫前SLMed 316 L SS，（d1）（d2）在50 mA/cm2充氫4 h後SLMed 316 L SS。充氫後將樣品脫氣5天，菱形黑色區域表示便於原位觀察的硬度點。
圖（tú）4.通過原位EBSD獲得的相圖：變形316 L SS（a）在氫氣以50 mA/cm2充氫4 h前後（b），在（zài）SLMed 316 L SS（c）在氫氣以50 mA/cm2下充氫4小時前後（d）。充氫（qīng）後將樣品脫氣5天，菱形黑色區域表示便於原位觀察的（de）硬度點。
圖5.在50 mA/cm2的氫氣充注4 h前後（hòu），鍛造和SLM加工的316 L SS的XRD圖譜。在充（chōng）氫後，將樣品脫氣5天（tiān）。
綜上所（suǒ）述，本文（wén）在以（yǐ）50 mA/cm2的（de）氫氣充入4 h後，鍛製316 L SS上的鈍化膜的缺陷密度大約是SLMed 316 L SS的7倍，表明鈍化膜的穩定性較差。充氫SLM 316 L SS在0.6 VSCE時的電流密度仍低於1μA/ cm2，而充氫變（biàn）形316 L SS的電流（liú）密度遠低於DOE 2020目標。這表明SLMed 316 L組（zǔ）件更適合用作氫損壞環境中的雙極板材料。SLMed 316 L SS的氫損傷是輕（qīng）微的，充（chōng）氫後優先在變（biàn）形的316 L SS的（de）長條狀馬氏體（tǐ）部（bù）位發生腐蝕。因此，與鍛造316 L SS相比，在模擬PEMFC解決方案（àn）中充氫的SLMed 316 L SS具有（yǒu）更高的耐腐蝕性。（文：夢程）
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