增材制造316L不锈钢在高温超临界CO2 中的各向异性腐蚀行为与机理研究

为解决SC-CO2 布雷顿循环系统中关键结构材料的腐蚀失效问题，中国科学院研究人员针对增材制造（AM）316L不锈钢在650°C/20 MPa超临界CO2 环境中的各向异性腐蚀行为展开研究。结果表明，水平扫描面（Plane S）腐蚀增重率（0.66 mg/cm2 ）显著高于沉积面（Plane Z）（0.21 mg/cm2 ），揭示了微观结构各向异性对氧化膜缺陷及碳化深度的关键影响，为极端环境下AM材料的可靠性评估提供理论支撑。

　　

随着全球能源短缺与环境问题日益严峻，超临界二氧化碳（SC-CO₂
）布雷顿循环系统因其40%以上的热效率和小型化优势，成为核能及航天动力领域的关键技术。然而，系统核心部件在高温高压SC-CO₂
环境中面临严重腐蚀挑战，传统锻造材料难以满足复杂结构需求。增材制造（AM）技术虽能实现构件一体化成型，但其材料在极端环境下的腐蚀行为尚不明确，尤其是微观结构各向异性可能引发的定向腐蚀风险亟待评估。

针对这一科学问题，中国科学院金属研究所的研究团队通过选择性激光熔融（SLM）制备316L不锈钢样品，系统研究了其在650°C、20 MPa的SC-CO₂
环境中暴露3000小时后的腐蚀行为差异。研究发现，平行于构建方向的水平扫描面（Plane S）腐蚀增重率（0.66 mg/cm²
）是垂直沉积面（Plane Z）（0.21 mg/cm²
）的3倍以上，这种显著差异源于AM工艺导致的微观结构各向异性。Plane S以等轴晶为主，氧化膜缺陷密度高，促使纵向腐蚀加剧；而Plane Z的柱状晶结构更利于形成保护性Cr₂
O₃
层。相关成果发表于《The Journal of Supercritical Fluids》，为AM材料在能源装备中的安全应用提供了重要依据。

关键技术方法包括：采用EOS M290设备进行SLM成型，优化工艺参数控制孔隙率；通过SEM/EDS分析氧化膜形貌与元素分布；利用XRD表征腐蚀产物相组成；结合腐蚀动力学曲线评估各向异性影响。

【材料特性】
AM 316L不锈钢的Plane S呈现花状等轴晶，Plane Z则为定向柱状晶，这种差异源于SLM过程的逐层熔凝特性。晶界密度和取向的差异直接影响了后续腐蚀行为。

【氧化膜形成机制】
腐蚀增重曲线符合抛物线规律，表明氧化膜具有保护性。但Plane S因晶界缺陷导致氧化膜局部破裂，形成Fe₃
O₄
/Cr₂
O₃
双层结构，而Plane Z的连续Cr₂
O₃
层更致密。

【碳化行为】
两表面均发生碳渗透，但Plane S碳化深度达15 μm，显著高于Plane Z的8 μm。EDS显示碳在Plane S晶界处富集，与氧化膜裂纹形成协同效应。

研究结论表明，AM 316L不锈钢的腐蚀行为具有显著方向依赖性，这种各向异性主要源于SLM工艺诱导的晶粒取向差异。Plane S的高缺陷密度氧化膜加速了碳扩散和纵向腐蚀，而Plane Z的柱状晶结构更利于维持长期稳定性。该发现不仅揭示了AM材料在SC-CO₂
环境中的失效机制，更为核反应堆等关键部件的定向优化设计提供了理论指导——通过调控构建方向可主动规避高腐蚀风险面，这对推动AM技术在极端环境装备中的应用具有重要工程价值。