導讀：本文研究了充氫對傳統鍛造和選擇性激光熔化316L不銹鋼（SLMed 316L SSs）的微觀結構和耐久性的影響。結果表明，由于奧氏體向馬氏體的轉化極少，SLMed 316L 不銹鋼獲得了優異的抗氫損傷性能，并且腐蝕優先發生在馬氏體部位。充氫鍛制316 L 不銹鋼上的鈍化膜缺陷密度遠高于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的不斷增長，氫燃料電池技術受到越來越多的關注。質子交換膜燃料電池（PEMFC）由于其低噪音和低振動的特性而******高效。雙極板是PEMFC動力組件的關鍵組件，必須優化其耐用性和制造成本，以允許燃料電池滲透商業市場并與其他能源競爭。雙極板通常充當電池之間的電流導體，為反應氣體的流動提供導管，并構成電源組的主干。具有高耐腐蝕性和良好的表面接觸電阻的復合雙極板通常由石墨和聚合物制成。然而，與金屬的相應性能相比，它們的可制造性，滲透性和在沖擊和振動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，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凈成形加工的獨特優勢。因此，該技術可以擴展新穎PEMFC架構的設計自由度，從而提高系統效率，穩定性和壽命，并降低制造和運行成本。316 L不銹鋼由于具有足夠的耐腐蝕性、耐疲勞性和經濟效益，已經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出可靠的不銹鋼，從而加速了燃料電池裝置的開發。

迄今為止，已經進行了許多嘗試來通過制造保護性涂層（例如Nb碳化物擴散層，TiN膜和CrN膜）來改善常規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程中，不可避免地會出現保護涂層或導電涂層中的缺陷，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不銹鋼基板來保護這些區域。為了達到PEMFC的雙極板的耐用性目標，特別是在充氫條件下，了解降解機理并評估PEMFC環境中增材制造的不銹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性能下降。奧氏體的一般特征是氫溶解度高，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面活性并降低其穩定性。對于增材制造的奧氏體不銹鋼，Baek等人發現直接金屬沉積的304 L不銹鋼在高壓氫氣氛中顯示出比傳統鍛造更高的抗氫脆性。盡管他們沒有給出這種差異的直接證據，但他們認為，顯著差異應歸因于快速粉末燒結過程中形成的復雜的非平衡微觀結構，以及載荷應力下奧氏體相的穩定性。同時，氫對選擇性激光熔化的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，因此迫切需要進一步闡明。

基于此，北京科技大學李曉剛團隊將SLM和傳統的變形316 L 不銹鋼在0.5M H2SO4和0.25 g/L硫脲溶液中充氫不同時間。通過掃描電子顯微鏡（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構。研究鈍化膜的耐久性和半導體特性，發現SLMed 316L SS具有出色的鈍化膜穩定性，實驗結果為含氫環境中增材制造零件的腐蝕行為提供了重要理論基礎。相關研究結果以題Superior resistance to hydrogen damage for selective laser melted 316L stainless steel in a proton exchange membrane fuel cell environment發表在腐蝕頂刊《Corrosion Science》上。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.108425

這項研究比較了在模擬PEMFC溶液中，在以50 mA/cm2的充氫不同時間前后，鍛造和SLM加工的316 L SS的微觀結構和耐腐蝕性。在50 mA/cm2的氫氣充入4 h后，SLMed 316 L SS中的奧氏體幾乎沒有發生馬氏體相變，這歸因于高密度的位錯和精細的微組織結構，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，表明鈍化膜的穩定性較差。充氫SLM 316 L SS在0.6 VSCE時的電流密度仍低于1μA/ cm2，而充氫變形316 L SS的電流密度遠低于DOE 2020目標。這表明SLMed 316 L組件更適合用作氫損壞環境中的雙極板材料。

圖1.（a）具有復雜結構的PEMFC的示意圖，（b）氣態化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。

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，菱形黑色區域表示便于原位觀察的硬度點。

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

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，表明鈍化膜的穩定性較差。充氫SLM 316 L SS在0.6 VSCE時的電流密度仍低于1μA/ cm2，而充氫變形316 L SS的電流密度遠低于DOE 2020目標。這表明SLMed 316 L組件更適合用作氫損壞環境中的雙極板材料。SLMed 316 L SS的氫損傷是輕微的，充氫后優先在變形的316 L SS的長條狀馬氏體部位發生腐蝕。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：夢程）

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