導(dǎo)讀：本文研究了充氫對(duì)傳統(tǒng)鍛造和選擇性激光熔化316L不銹鋼（SLMed 316L SSs）的微觀結(jié)構(gòu)和耐久性的影響。結(jié)果表明，由于奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)化極少，SLMed 316L 不銹鋼獲得了優(yōu)異的抗氫損傷性能，并且腐蝕優(yōu)先發(fā)生在馬氏體部位。充氫鍛制316 L 不銹鋼上的鈍化膜缺陷密度遠(yuǎn)高于SLMed對(duì)應(yīng)部分，SLMed 316L SS具有出色的鈍化膜穩(wěn)定性。

隨著對(duì)清潔和可持續(xù)能源需求的不斷增長(zhǎng)，氫燃料電池技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）由于其低噪音和低振動(dòng)的特性而******高效。雙極板是PEMFC動(dòng)力組件的關(guān)鍵組件，必須優(yōu)化其耐用性和制造成本，以允許燃料電池滲透商業(yè)市場(chǎng)并與其他能源競(jìng)爭(zhēng)。雙極板通常充當(dāng)電池之間的電流導(dǎo)體，為反應(yīng)氣體的流動(dòng)提供導(dǎo)管，并構(gòu)成電源組的主干。具有高耐腐蝕性和良好的表面接觸電阻的復(fù)合雙極板通常由石墨和聚合物制成。然而，與金屬的相應(yīng)性能相比，它們的可制造性，滲透性和在沖擊和振動(dòng)下的耐久性是不利的。

選擇性激光熔覆（SLM）是一種粉末增材制造技術(shù)，與傳統(tǒng)的模鑄/鑄造工藝相比，它突出了其快速、高度設(shè)計(jì)自由度和近凈成形加工的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，該技術(shù)可以擴(kuò)展新穎PEMFC架構(gòu)的設(shè)計(jì)自由度，從而提高系統(tǒng)效率，穩(wěn)定性和壽命，并降低制造和運(yùn)行成本。316 L不銹鋼由于具有足夠的耐腐蝕性、耐疲勞性和經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)成為有前途的雙極板材料的候選材料。快速的增材制造方法可以生產(chǎn)出可靠的不銹鋼，從而加速了燃料電池裝置的開發(fā)。

迄今為止，已經(jīng)進(jìn)行了許多嘗試來(lái)通過(guò)制造保護(hù)性涂層（例如Nb碳化物擴(kuò)散層，TiN膜和CrN膜）來(lái)改善常規(guī)制造的雙極板的耐腐蝕性。然而，在涂層制造和雙極板組裝過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)保護(hù)涂層或?qū)щ娡繉又械娜毕?，例如夾雜物，劃痕，針孔和微裂紋。因此，在堆疊操作中必須通過(guò)不銹鋼基板來(lái)保護(hù)這些區(qū)域。為了達(dá)到PEMFC的雙極板的耐用性目標(biāo)，特別是在充氫條件下，了解降解機(jī)理并評(píng)估PEMFC環(huán)境中增材制造的不銹鋼的穩(wěn)定性和壽命也很重要。氫損傷是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致金屬的抗腐蝕和機(jī)械性能下降。奧氏體的一般特征是氫溶解度高，氫擴(kuò)散率相對(duì)較低（約10-15至10-16m2/s），但早期已證明氫可增加鈍化膜的表面活性并降低其穩(wěn)定性。對(duì)于增材制造的奧氏體不銹鋼，Baek等人發(fā)現(xiàn)直接金屬沉積的304 L不銹鋼在高壓氫氣氛中顯示出比傳統(tǒng)鍛造更高的抗氫脆性。盡管他們沒(méi)有給出這種差異的直接證據(jù)，但他們認(rèn)為，顯著差異應(yīng)歸因于快速粉末燒結(jié)過(guò)程中形成的復(fù)雜的非平衡微觀結(jié)構(gòu)，以及載荷應(yīng)力下奧氏體相的穩(wěn)定性。同時(shí)，氫對(duì)選擇性激光熔化的316 L不銹鋼（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(jìn)一步闡明。

基于此，北京科技大學(xué)李曉剛團(tuán)隊(duì)將SLM和傳統(tǒng)的變形316 L 不銹鋼在0.5M H2SO4和0.25 g/L硫脲溶液中充氫不同時(shí)間。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）、原位電子背散射衍射（EBSD）、X射線衍射（XRD）和透射電子顯微鏡（TEM）表征了這些不銹鋼在充氫前后的微觀結(jié)構(gòu)。研究鈍化膜的耐久性和半導(dǎo)體特性，發(fā)現(xiàn)SLMed 316L SS具有出色的鈍化膜穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為含氫環(huán)境中增材制造零件的腐蝕行為提供了重要理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究結(jié)果以題Superior resistance to hydrogen damage for selective laser melted 316L stainless steel in a proton exchange membrane fuel cell environment發(fā)表在腐蝕頂刊《Corrosion Science》上。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.108425

這項(xiàng)研究比較了在模擬PEMFC溶液中，在以50 mA/cm2的充氫不同時(shí)間前后，鍛造和SLM加工的316 L SS的微觀結(jié)構(gòu)和耐腐蝕性。在50 mA/cm2的氫氣充入4 h后，SLMed 316 L SS中的奧氏體幾乎沒(méi)有發(fā)生馬氏體相變，這歸因于高密度的位錯(cuò)和精細(xì)的微組織結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致高的納米孿晶和進(jìn)一步馬氏體的形成應(yīng)力。在以50 mA/cm2的氫氣充入4 h后，鍛制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(wěn)定性較差。充氫SLM 316 L SS在0.6 VSCE時(shí)的電流密度仍低于1μA/ cm2，而充氫變形316 L SS的電流密度遠(yuǎn)低于DOE 2020目標(biāo)。這表明SLMed 316 L組件更適合用作氫損壞環(huán)境中的雙極板材料。

圖1.（a）具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PEMFC的示意圖，（b）氣態(tài)化316 L SS的粉末形態(tài)，以及（c）帶有***佳印刷參數(shù)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后的表面形態(tài)。

圖3.通過(guò)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充氫4h之后變形316 L SS，（c1）（c2）在充氫前SLMed 316 L SS，（d1）（d2）在50 mA/cm2充氫4 h后SLMed 316 L SS。充氫后將樣品脫氣5天，菱形黑色區(qū)域表示便于原位觀察的硬度點(diǎn)。

圖4.通過(guò)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前后（b），在SLMed 316 L SS（c）在氫氣以50 mA/cm2下充氫4小時(shí)前后（d）。充氫后將樣品脫氣5天，菱形黑色區(qū)域表示便于原位觀察的硬度點(diǎn)。

圖5.在50 mA/cm2的氫氣充注4 h前后，鍛造和SLM加工的316 L SS的XRD圖譜。在充氫后，將樣品脫氣5天。

綜上所述，本文在以50 mA/cm2的氫氣充入4 h后，鍛制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(wěn)定性較差。充氫SLM 316 L SS在0.6 VSCE時(shí)的電流密度仍低于1μA/ cm2，而充氫變形316 L SS的電流密度遠(yuǎn)低于DOE 2020目標(biāo)。這表明SLMed 316 L組件更適合用作氫損壞環(huán)境中的雙極板材料。SLMed 316 L SS的氫損傷是輕微的，充氫后優(yōu)先在變形的316 L SS的長(zhǎng)條狀馬氏體部位發(fā)生腐蝕。因此，與鍛造316 L SS相比，在模擬PEMFC解決方案中充氫的SLMed 316 L SS具有更高的耐腐蝕性。（文：夢(mèng)程）

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