導讀：本文研究了充氫對傳統鍛（duàn）造和選（xuǎn）擇性激光熔化316L不鏽鋼（gāng）（SLMed 316L SSs）的（de）微觀（guān）結構和耐久性的影響。結果表明，由於（yú）奧氏體向馬氏體的轉（zhuǎn）化（huà）極少，SLMed 316L 不鏽鋼獲得了（le）優異的抗氫損傷性（xìng）能，並且腐蝕優先發（fā）生在（zài）馬（mǎ）氏體部位。充氫鍛製（zhì）316 L 不鏽鋼上的鈍化膜（mó）缺陷（xiàn）密度遠高於SLMed對應部分，SLMed 316L SS具有出色的（de）鈍（dùn）化膜穩定性。
隨著對清潔和（hé）可持續能源需求的不斷（duàn）增長，氫燃料電池技術受到（dào）越來越多的關注。質子交換膜燃（rán）料電池（PEMFC）由於其低噪音和低振動（dòng）的（de）特（tè）性而******高效。雙極板是PEMFC動力（lì）組件的關鍵組件，必須優化其耐用性和製造成本，以（yǐ）允許（xǔ）燃料電池滲透（tòu）商業市場並與其他能（néng）源競爭。雙極（jí）板通常充當電池之間的電流（liú）導體，為反應氣體的流動提供（gòng）導管，並構成電源組的主幹。具有高耐腐蝕性和良好的（de）表麵接觸電阻的複合雙極板通常由石墨和聚合物（wù）製成。然而，與金屬的相應性能相比，它們的（de）可製造性，滲透性和在衝擊和（hé）振動下的（de）耐久（jiǔ）性是不（bú）利的（de）。
選擇性激光熔覆（SLM）是（shì）一種粉（fěn）末增材製造技術，與傳統的模鑄/鑄造工藝（yì）相比，它突出了其快（kuài）速、高度（dù）設計自由度和近淨成形（xíng）加工的獨特（tè）優勢。因此，該技（jì）術可以擴展（zhǎn）新穎PEMFC架構的設計自由度，從而（ér）提高係統效率，穩定性和壽命，並降低製造和運行成本（běn）。316 L不鏽鋼由於具有足夠的耐腐蝕性、耐（nài）疲勞性和經濟效益，已經成為有前途的雙極板材料的候選材（cái）料。快速的增材製造方法可以生產出可靠的不鏽鋼，從而加速了燃料電池裝置（zhì）的開發。
迄今（jīn）為（wéi）止，已經進行了許多嚐試來通過製造保護（hù）性塗層（例如Nb碳化物擴散層，TiN膜和（hé）CrN膜）來改善常規製造的雙極板的耐腐蝕性（xìng）。然（rán）而，在塗層製（zhì）造和雙極板組裝過程中，不可避免地會出現保護塗層或導電塗層（céng）中的缺陷，例如夾雜物，劃痕，針孔和微裂紋。因此，在（zài）堆疊操作中必須通過不鏽鋼基板來保護這些區域。為了達到PEMFC的雙（shuāng）極板的耐用性目（mù）標，特別是在（zài）充氫條件下，了解降解機理並評估PEMFC環境中增（zēng）材製造的不鏽鋼（gāng）的穩定性和壽命也很重（chóng）要。氫（qīng）損傷是一個嚴（yán）重的問題，會導致金（jīn）屬的抗腐蝕和機械（xiè）性（xìng）能（néng）下降（jiàng）。奧氏體的一般特征是氫（qīng）溶解度高，氫擴散率相對較低（約10-15至10-16m2/s），但早期（qī）已證明氫可增加鈍化膜的表麵（miàn）活性並降低其穩定性。對（duì）於增材製造的奧氏體（tǐ）不鏽鋼，Baek等人（rén）發（fā）現直接金屬沉積的304 L不鏽鋼在高（gāo）壓氫氣氛中顯示出比傳統鍛造更高的抗氫脆性。盡管（guǎn）他們沒有給出這種差異的直接證據，但他們認為，顯著差異應歸因（yīn）於快速粉末燒結過程中形成的（de）複雜的非平衡微觀結構，以及載荷應力下奧氏體相的穩定性。同（tóng）時，氫對選擇（zé）性激光熔化（huà）的316 L不鏽鋼（SLMed 316 L SS）的顯（xiǎn）微組織和耐腐蝕性（xìng）的影響尚（shàng）不完全清楚，因此迫切（qiē）需要（yào）進一步闡明。
基於此，北京科技大學李（lǐ）曉剛團（tuán）隊將SLM和傳統的變（biàn）形316 L 不鏽鋼在0.5M H2SO4和0.25 g/L硫脲溶液中充氫（qīng）不同時間。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、原位（wèi）電子背散射衍射（EBSD）、X射線衍射（XRD）和透射電子顯微鏡（TEM）表征了這些不鏽鋼在充氫前後的微觀結構。研究鈍化膜（mó）的耐久性（xìng）和半導體特性，發現SLMed 316L SS具有出色的鈍（dùn）化膜穩定性（xìng），實驗結果為含氫環境中增材製造（zào）零件（jiàn）的腐蝕行為（wéi）提供了重（chóng）要理論基礎。相（xiàng）關研（yán）究結果以題Superior resistance to hydrogen damage for selective laser melted 316L stainless steel in a proton exchange membrane fuel cell environment發表在腐（fǔ）蝕頂刊《Corrosion Science》上。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.108425
這（zhè）項研究比較了在模擬PEMFC溶液中，在以50 mA/cm2的充氫不同時間前後，鍛造和（hé）SLM加工的316 L SS的微觀結構和耐腐（fǔ）蝕性。在50 mA/cm2的氫氣充入（rù）4 h後，SLMed 316 L SS中的奧（ào）氏體幾乎沒有發生馬氏體相（xiàng）變，這歸因於高密度的（de）位錯和（hé）精細的微組織結構，從而導致高的納米孿晶和進一步馬氏體的形成應力。在以50 mA/cm2的氫氣充入4 h後，鍛製316 L SS上的鈍化（huà）膜的缺陷密度大（dà）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（de）電流（liú）密度仍低於1μA/ cm2，而充氫變形316 L SS的（de）電（diàn）流密度遠低於DOE 2020目標。這（zhè）表明SLMed 316 L組件更適合用作氫損壞環境中的雙（shuāng）極板（bǎn）材料。
圖1.（a）具有複雜結構（gòu）的PEMFC的示（shì）意圖，（b）氣態化316 L SS的粉末形態，以及（c）帶有（yǒu）***佳印刷參數的SLMed 316 L SS零件。
圖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4 h後的表麵形態。
圖3.通過原（yuán）位EBSD獲得的反極圖和KAM圖：（a1）（a2）在（zài）充氫之前變形316 L SS，（b1）（b2）在以50 mA/cm2充（chōng）氫4h之後變形316 L SS，（c1）（c2）在充氫（qīng）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（yuán）位EBSD獲得的相圖：變形316 L SS（a）在（zài）氫氣以50 mA/cm2充氫4 h前後（b），在SLMed 316 L SS（c）在（zài）氫氣以（yǐ）50 mA/cm2下充氫4小時前後（d）。充氫後將樣品脫氣5天（tiān），菱形黑色區（qū）域表示便於原位觀察的硬度點。
圖5.在50 mA/cm2的氫氣充注4 h前後，鍛（duàn）造和SLM加工（gōng）的316 L SS的（de）XRD圖譜。在充氫後，將樣（yàng）品（pǐn）脫氣5天。
綜上所述，本文在以50 mA/cm2的氫氣充入4 h後，鍛製316 L SS上的鈍（dùn）化膜的缺陷密度大約是SLMed 316 L SS的7倍，表明鈍（dùn）化膜（mó）的穩定性較差（chà）。充氫SLM 316 L SS在0.6 VSCE時的電流密度仍低於（yú）1μA/ cm2，而充氫變形（xíng）316 L SS的電流密度遠低於DOE 2020目（mù）標。這表明SLMed 316 L組件更適合用（yòng）作氫損壞環境中的雙極板材料。SLMed 316 L SS的氫損傷是輕微的，充氫後優先在（zài）變（biàn）形的316 L SS的長條狀馬氏體部（bù）位發生腐蝕。因此，與鍛造316 L SS相比，在模擬（nǐ）PEMFC解決（jué）方案中充（chōng）氫的SLMed 316 L SS具有更高的耐腐蝕性。（文：夢程）
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