激光粉末床熔融(L-PBF)工艺参数对AISI 316L摩擦腐蚀行为的调控机制研究

【编辑推荐】本研究针对增材制造(AM)中激光粉末床熔融(L-PBF)工艺参数对AISI 316L不锈钢摩擦腐蚀性能的影响机制展开研究，通过调控扫描速度(800-1200 mm/s)和棋盘/条纹构建策略，发现高扫描速度下棋盘策略试样(C-1200)因硬度提升表现出接近锻件的性能，揭示了能量密度与熔池形貌的协同作用规律，为AM构件表面工程优化提供理论依据。

　　

在工程材料领域，增材制造(AM)技术正掀起一场革命，其中激光粉末床熔融(L-PBF)因其制造复杂几何金属部件的能力备受瞩目。然而，这项技术面临着一个关键矛盾：虽然能实现传统加工难以企及的结构自由度，但层间结合弱、粉末熔合不充分等缺陷导致材料表面性能不稳定。尤其对于AISI 316L这种广泛应用于生物医学和化工领域的不锈钢，其摩擦腐蚀(tribocorrosion)行为——即磨损与腐蚀协同作用下的材料退化机制——直接决定使用寿命。目前文献中关于L-PBF工艺参数如何影响该性能的研究几乎空白，这正是土耳其研究人员在《Materials Today Communications》发表论文的核心突破点。

研究团队采用多尺度分析方法：通过X射线衍射(XRD)分析相组成，扫描电镜(SEM)观察熔池形貌，三维轮廓仪量化表面粗糙度，显微硬度计测试力学性能，并结合开路电位(OCP)监测的摩擦腐蚀实验。样本包括传统锻件和六组L-PBF试样（棋盘C/条纹S策略×800/1000/1200 mm/s扫描速度）。

Results and Discussion部分揭示：

1. 相组成方面，L-PBF试样中δ-铁素体相几乎消失，这是快速加热/冷却过程抑制相变的结果。XRD显示44.7°处的锻件特征峰在AM样品中减弱，证实了工艺对晶体结构的重塑作用。
2. 熔池形貌分析表明，扫描速度提升导致能量密度降低，引发粉末颗粒熔合不足，产生毛细不稳定性和未熔合缺陷。相反，低速扫描使粉末规则熔化，表面粗糙度降低。
3. 硬度测试发现，尽管孔隙率增加通常不利于性能，但L-PBF试样因晶粒细化产生的硬度提升反而带来摩擦腐蚀优势，其中C-1200试样性能最接近锻件。
4. 摩擦腐蚀性能排序显示，OCP nobility顺序为：C-1200 > 锻件 > C-1000 > S-1200 > C-800 > S-1000 > S-800，证实棋盘策略在高扫描速度下的优越性。

Conclusions部分强调三个关键发现：
• 快速凝固过程完全改变了相平衡，抑制δ-铁素体形成；
• 表面粗糙度与硬度呈反向变化，但后者对摩擦腐蚀的积极影响占主导；
• 构建策略通过调控熔池重叠率影响性能，棋盘策略能有效分散热应力。

这项研究首次建立了L-PBF工艺参数-微观结构-摩擦腐蚀性能的定量关系模型，不仅为AM工艺优化提供具体指导（如优先选择高扫描速度+棋盘策略组合），更颠覆了"高孔隙率必然导致性能下降"的传统认知。对于需要同时承受机械磨损和化学腐蚀的工程部件（如人工关节、海洋装备），该成果可直接指导定制化生产。Yusuf Burak Bozkurt团队的工作标志着AM技术从"形状制造"向"性能可控制造"的重要跨越。