综述：增材制造合金的腐蚀与高温氧化行为：损伤机理及结构-性能关系

《Journal of Alloys and Compounds》：Corrosion and High Temperature Oxidation Behavior of Additively Manufactured Alloys: Damage Mechanisms and Structure-Property Relationships

本文综述了增材制造（AM）合金的微观结构及缺陷对其腐蚀和高温氧化行为的影响，比较了激光粉末床融合、电子束粉末床融合等工艺与传统制造（CMed）合金的性能差异，并探讨了机制及改进策略。

　　
增材制造合金的腐蚀与高温氧化行为研究进展

摘要部分系统阐述了增材制造（AMed）合金与传统制造（CMed）合金在微观结构、缺陷类型及分布特征上的显著差异。这些差异不仅体现在晶粒形态（如柱状晶与等轴晶的转变）、非平衡凝固导致的溶质偏析、残余应力分布以及表面粗糙度等宏观特征上，更直接影响到材料在复杂工况下的耐蚀与抗氧化性能。研究指出，AMed合金在对抗化学腐蚀方面虽不具备传统合金中粗大析出相的天然防护屏障，但其独特的微观结构却可能形成微电池效应，加速局部腐蚀进程。同时，AM制造过程中产生的孔隙、裂纹等体积缺陷和表面氧化层缺陷，会显著增加腐蚀敏感性，并在高温环境下加剧氧化损伤。

在材料体系分析方面，AlSi10Mg合金的AMed-CMed性能差异尤为突出。研究显示，激光粉末床融合（L-PBF）制造的AlSi10Mg合金呈现出典型的胞状晶结构，其热膨胀系数较传统铸造合金降低约15%，这种非平衡凝固组织在抗热疲劳性能方面具有显著优势。但值得注意的是，AMed工艺导致的枝晶偏析使得硅相在晶界处富集，形成连续的硅颗粒链，这种结构特征在3.5% NaCl溶液中会引发应力腐蚀开裂。

对于钛合金体系，特别是Ti-6Al-4V超级合金，AMed制造过程产生的亚稳β相和未溶解的α相构成的双相结构，使其在800℃氧化环境中表现出与传统锻造合金不同的氧化机制。实验数据表明，采用电子束粉末床融合（EB-PBF）制造的合金在热暴露初期形成致密的α?相氧化层，但随着氧化时间的延长，层状氧化结构逐渐演变为非连续性颗粒氧化，这种转变与激光功率密度和冷却速率的调控密切相关。

不锈钢316L的AMed制造缺陷对耐蚀性产生双重影响。一方面，激光熔覆产生的柱状晶区在晶界处形成连续的γ相层，有效抑制了Cl?的晶间腐蚀倾向；另一方面，近表面区域的气孔和裂纹缺陷在酸性介质中会引发点蚀-应力腐蚀协同作用。电化学测试数据显示，AMed 316L在0.5M H2SO4溶液中的极化电阻较传统铸造态降低约40%，但耐点蚀当量（PIT）提高25%，这种矛盾特性需要从微观缺陷分布与晶界工程角度进行深入分析。

镍基超合金的氧化研究揭示了工艺参数对抗氧化性能的显著影响。以Inconel 718为例，激光粉末定向能量沉积（LP-DED）制造的样品在1000℃/100h氧化后，表面形成厚度约80μm的层状氧化产物，其中γ'相占比达65%，而传统锻造工艺的氧化层中γ'相含量仅为35%。这种差异源于AMed工艺中快速冷却形成的细小等轴晶组织，使得γ'相析出量增加约2.3倍，同时晶界曲率半径减小至3-5μm级别，有效阻碍了氧原子扩散。

经济性比较研究显示，AMed合金的经济效益呈现显著的非线性特征。对于复杂几何结构（如航空发动机涡轮叶片），AMed的制造成本虽比传统锻造高30%-50%，但通过减少后续加工工序可挽回60%-80%的成本差异。特别在医疗植入物领域，AMed的批量生产成本仅为传统精密铸造的45%，但需额外增加表面处理成本约15%。研究建议建立基于材料体系、零件复杂度和生产批量的三维成本模型，以更精准地评估AMed的经济性。

在改进策略方面，研究提出了多尺度协同优化方案。微观层面建议采用双激光功率扫描技术（80W-120W交替），使晶粒尺寸从传统AM的50-80μm细化至20-30μm，同时通过调控冷却速率在枝晶间形成纳米级氧化物膜。中观层面推荐实施定向晶粒生长技术，将晶界曲率半径优化至5-8μm区间，使晶界氧化反应速率降低40%。宏观层面则强调构建缺陷智能检测系统，通过机器视觉实时监测熔池凝固过程中的孔隙形核行为，结合超声波检测实现缺陷的梯度补偿。

未来研究重点聚焦于多物理场耦合作用机制。针对AMed合金中普遍存在的热机械残余应力（高达800MPa），需建立腐蚀-氧化-应力耦合的跨尺度模型。研究建议采用原位电镜技术观测应力腐蚀裂纹尖端动态形核过程，结合机器学习算法建立缺陷演化预测模型。在材料体系扩展方面，重点考察镁合金（AMed AZ91D）和铜基合金（AMed Cu-Cr-Si）在极端环境下的性能，特别是镁合金在含氨酸性介质中的耐蚀性提升策略。

该研究在以下方面取得重要突破：首次系统量化AMed合金的缺陷密度与耐蚀性关联性，建立基于缺陷类型（孔隙、裂纹、夹杂物）的腐蚀敏感度评价矩阵；创新性地将拓扑优化理念引入耐蚀性设计，通过控制熔池凝固过程中的成分过冷度，在晶界处定向生成致密氧化阻挡层；开发出基于数字孪生的腐蚀寿命预测系统，实现从微观缺陷到宏观性能的跨尺度映射。

研究同时指出生成于AMed合金表面的纳米结构氧化膜（厚度20-50nm）具有独特的离子传输特性，在模拟生理pH（7.4）的磷酸盐缓冲液中，该氧化膜可使Al基合金的腐蚀电流密度降低两个数量级。但需注意，当氧化膜厚度超过临界值（约120nm）时，反而会因氧离子扩散阻抗增大而促进反向腐蚀。

在实验方法学上，研究团队开发了四区协同测试平台，同步实施以下实验：①微观缺陷扫描电镜（SEM）与原子力显微镜（AFM）联用观测表面缺陷形貌；②原位高温氧化电化学工作站监测实时阻抗谱变化；③同步辐射X射线衍射（SR-XRD）追踪晶界氧化相的动态演变；④热机械应力分析系统量化残余应力分布。这种多尺度同步测试方法将数据采集效率提升3倍以上。

经济性分析部分创新性地引入全生命周期成本（LCC）模型，综合考虑生产、使用和回收三个阶段成本。研究发现，对于寿命周期超过20年的基础设施部件（如海洋平台连接件），AMed的总成本可能比CMed低18%-25%，主要源于维护费用的显著下降。但需注意，对于瞬时失效风险较高的航空部件，AMed的初始成本优势可能被适航认证费用抵消，因此需要建立基于失效概率的成本-安全平衡模型。

研究最后强调，AMed合金的耐蚀性提升不应局限于材料本征性能优化，更需构建制造-服役全链条协同机制。建议建立行业级缺陷数据库，将表面粗糙度（Ra值0.8-1.5μm）、孔隙率（<1.5%）、晶界曲率半径（5-15μm）等关键参数与不同腐蚀环境下的性能数据关联，形成可量化的缺陷敏感度评价体系。

该领域现存的主要科学挑战包括：①AMed合金中非平衡凝固引起的晶界工程化调控机制不明确；②缺陷与腐蚀/氧化损伤的跨尺度相互作用机理尚未完全揭示；③多工艺参数耦合作用下性能的预测精度不足。未来研究应着重发展原位表征技术，建立包含微观缺陷、中观组织演变和宏观性能响应的跨尺度理论模型，同时开发面向AMed工艺的智能表面处理技术（如激光熔覆梯度涂层），以实现腐蚀-氧化损伤的主动抑制。