導讀：本文（wén）研究了充氫對傳統（tǒng）鍛造（zào）和選擇性激光熔化316L不鏽鋼（SLMed 316L SSs）的微觀結構和耐久性的影響。結果表明，由於奧氏體向馬氏體的轉化極少，SLMed 316L 不鏽鋼獲得了優異的抗氫損傷性（xìng）能，並且腐蝕優先發生在馬氏體部位。充氫鍛製316 L 不鏽鋼上的鈍化膜缺陷密（mì）度遠（yuǎn）高於SLMed對應部分，SLMed 316L SS具有出色的鈍化膜穩定性。
隨著對清潔和可持續能源需求（qiú）的不斷增長，氫燃料電池技術受到越來越多（duō）的關（guān）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而******高效（xiào）。雙極板是PEMFC動力組件（jiàn）的關鍵組件，必須優（yōu）化（huà）其耐用（yòng）性和製造成本，以（yǐ）允許燃（rán）料（liào）電池滲透商業市場並與其他能源競爭。雙極板通（tōng）常充當電（diàn）池之間的電流導體，為反（fǎn）應氣體的流動提供（gòng）導（dǎo）管，並構成電源（yuán）組的主幹。具有高耐腐（fǔ）蝕性和良好的表麵接觸電阻的（de）複合雙極（jí）板通常由石墨和聚合物製成。然而，與金屬的相（xiàng）應性能相（xiàng）比，它們的可製造性，滲透性和在衝擊和振動（dòng）下的耐（nài）久性是不利的。
選擇性激光熔覆（SLM）是一種（zhǒng）粉末增材製造技術，與傳統的（de）模鑄/鑄造工藝相比，它（tā）突出了其快速、高度設計自（zì）由度和近淨成形加工的（de）獨特優勢。因此，該技術可以擴展新穎PEMFC架構（gòu）的設計自由度，從而提高係統效（xiào）率，穩（wěn）定性和壽命，並降低製造和運行成本。316 L不鏽鋼由（yóu）於具（jù）有足夠的耐腐蝕性、耐疲勞（láo）性和（hé）經濟效益，已經成為有前途的雙極板材料的（de）候選材料。快速的（de）增材製造方法可以生產出可靠的不鏽鋼，從而（ér）加速了燃料電池裝（zhuāng）置（zhì）的開發。
迄今為止，已經進行了許多嚐試（shì）來通過製造保護性塗層（例如Nb碳化（huà）物擴散層，TiN膜和CrN膜）來改善常規製造的雙極板的耐（nài）腐蝕性。然（rán）而，在塗層製造和（hé）雙極板組（zǔ）裝過程中，不可避免地會出（chū）現保護塗層或導電塗（tú）層中的缺陷，例（lì）如夾雜物，劃痕，針孔和（hé）微裂紋。因此，在（zài）堆疊操作中（zhōng）必須通過不鏽鋼基板（bǎn）來保護這（zhè）些區域。為了達到PEMFC的雙極（jí）板的耐用性目標，特別是在充氫條件下，了解降解機理（lǐ）並評（píng）估PEMFC環（huán）境中（zhōng）增材製造的不鏽鋼的穩定性和壽命也很重要。氫損傷是一個嚴重的問題，會導致金屬的抗腐蝕和機械（xiè）性（xìng）能下（xià）降。奧氏體（tǐ）的（de）一般特征是氫溶解度高，氫擴散率相對較（jiào）低（約10-15至（zhì）10-16m2/s），但早期已證（zhèng）明氫可增加（jiā）鈍化膜的表麵活性並降低其（qí）穩定性。對於增材製造（zào）的奧氏體不鏽鋼，Baek等人發現直接金屬沉積的304 L不鏽鋼在高壓氫氣氛中顯示出比（bǐ）傳統鍛造更（gèng）高的抗氫（qīng）脆性。盡管他們沒有（yǒu）給出（chū）這種差異的直接證據，但他們認為，顯著差異應歸因於快速粉末燒結過程中形（xíng）成的複雜的非平衡微觀結構，以及載荷應力（lì）下奧氏體相的穩定性。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（zhī）和耐腐（fǔ）蝕性的影響尚（shàng）不完全清楚，因此迫切需要進一步（bù）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 不鏽鋼（gāng）在0.5M H2SO4和（hé）0.25 g/L硫脲（niào）溶（róng）液中充氫不同時間。通（tōng）過掃描電（diàn）子（zǐ）顯微鏡（SEM）、原位電子背散射衍射（EBSD）、X射線（xiàn）衍射（XRD）和透射電子顯微（wēi）鏡（TEM）表征了（le）這些不鏽鋼（gāng）在充氫前後的微觀結構。研究鈍化膜的耐久性和半導（dǎo）體特性，發現SLMed 316L SS具有出色的鈍化膜穩（wěn）定性，實驗結果為含氫環（huán）境中增材（cái）製造零件的（de）腐蝕行為提供了重要理論基礎。相關研究（jiū）結（jié）果以（yǐ）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（shí）頂刊《Corrosion Science》上。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.108425
這項研究比（bǐ）較了在模擬PEMFC溶液中，在以（yǐ）50 mA/cm2的充（chōng）氫不同（tóng）時間前後，鍛造（zào）和SLM加工（gōng）的316 L SS的微觀（guān）結構和耐腐蝕性。在50 mA/cm2的氫氣（qì）充入4 h後，SLMed 316 L SS中的（de）奧（ào）氏體幾乎沒有發生馬氏體相變，這歸因於高密（mì）度的位錯和精（jīng）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（chéng）應力。在以50 mA/cm2的氫氣充入4 h後，鍛（duàn）製316 L SS上的鈍化（huà）膜的缺陷密度大約是（shì）SLMed 316 L SS的7倍（bèi），表明鈍化膜的穩（wěn）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（diàn）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）損壞環境中的雙極板材料。
圖1.（a）具有複雜結構的PEMFC的示意圖（tú），（b）氣（qì）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（tōng）過原位EBSD獲得的反極圖和KAM圖：（a1）（a2）在充氫之前變形（xíng）316 L SS，（b1）（b2）在以50 mA/cm2充氫4h之後變形316 L SS，（c1）（c2）在充氫前（qián）SLMed 316 L SS，（d1）（d2）在50 mA/cm2充氫（qīng）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SLMed 316 L SS（c）在氫氣以50 mA/cm2下充氫（qīng）4小時前後（d）。充氫後將樣品脫氣5天，菱（líng）形黑色區域表（biǎo）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，鍛造和（hé）SLM加工的（de）316 L SS的XRD圖譜（pǔ）。在充氫後（hòu），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後（hòu），鍛（duàn）製316 L SS上的鈍化膜的缺陷（xiàn）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時的電流密度仍低於1μA/ cm2，而充氫變形316 L SS的電流（liú）密度遠低於DOE 2020目標。這表明（míng）SLMed 316 L組件更適合用作氫損壞環境中的雙極板材（cái）料。SLMed 316 L SS的氫（qīng）損傷（shāng）是輕（qīng）微的（de），充（chōng）氫後優先在變形（xíng）的（de）316 L SS的長條狀馬氏體部位發（fā）生腐蝕（shí）。因此，與鍛造316 L SS相（xiàng）比，在（zài）模擬PEMFC解決方案中充氫的SLMed 316 L SS具有更高的耐腐（fǔ）蝕性（xìng）。（文（wén）：夢程）
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