通过直接能量沉积修复技术调控微观结构，以抑制奥氏体不锈钢中的氢致裂纹

《Materials Science and Engineering: A》：Tailoring microstructure by direct energy deposition repair to suppress hydrogen-induced cracking in austenitic stainless steel

　　

郑查熙|杨大澈|萨宫万在|白朱贤|宋相允|李哈恩|金亨涉|孙硕洙

韩国大学材料科学与工程系，韩国首尔02841

摘要

通过增材制造修复结构部件，不仅能恢复其性能，还能提升其在恶劣环境中的使用性能。本研究探讨了采用直接能量沉积技术修复的奥氏体不锈钢（SUS316L）的抗氢脆性能。尽管吸收了更多氢气，但经DED修复的试样抗氢脆能力显著提升，氢脆指数从基体的26.1%降至2.6%。此外，尽管氢含量更高，修复后的试样氢扩散率（1.49 × 10^-14 m² s^?1）仍显著低于基体（6.39 × 10^-14 m² s^?1）。这种提升得益于形成了致密的位错胞结构，且胞壁处存在Cr/Mo偏析，这些结构可作为有效的氢捕获点，降低氢的长距离扩散。这些位错胞结构能够有效捕获氢气，而由于其固定性，相比可移动位错，更能降低氢的扩散速率。此外，DED工艺通过动态再结晶细化了热影响区，抑制了变形诱发的马氏体转变，减少了裂纹尖端附近的孪晶形成。这些协同的微观结构特征共同起到了限制氢扩散和裂纹扩展的作用，从而有效降低了氢引起的开裂风险。研究结果表明，通过DED工艺实现的微观结构优化，可显著降低氢脆指数和氢扩散率，为提高在含氢环境中的修复部件可靠性提供了有效策略。

引言

修复受损的金属部件是一种经济高效且可持续的方法，有助于延长高价值部件的使用寿命。焊接、钎焊和热喷涂等传统修复方法已在众多行业得到广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]。然而，这些方法往往存在固有缺陷，比如难以处理复杂结构，且易出现高孔隙率问题。为克服这些局限，基于增材制造的修复技术逐渐成为传统方法的理想替代方案[5]、[6]。在各类增材制造工艺中，直接能量沉积技术因其能够选择性修复受损区域且热损伤较小，而在结构修复领域备受关注。DED工艺所具有的集中热源和分层沉积特性，有助于实现局部熔化与固化，从而获得孔隙率更低、界面结合更好的修复效果[7]、[8]、[9]。

随着燃料电池、储气容器和管道等氢基能源系统的广泛应用，结构部件在富氢环境中的机械可靠性愈发重要。在这种背景下，抗氢脆能力对于确保长期机械稳定性至关重要。氢脆是指氢与位错、晶界及次生相等微观结构相互作用而导致的力学性能下降现象。在通常位于表面且直接暴露在氢环境中的修复区域，这一问题更为突出。此外，修复过程引发的微观结构变化可能显著改变氢的捕获与传输行为，因此系统评估抗氢脆能力对于保证结构完整性极为重要。

奥氏体不锈钢，尤其是SUS316L，因其面心立方结构具有较高的氢溶解度且氢扩散率较低，而被广泛用于氢相关应用中[10]、[11]。这些特性使得奥氏体不锈钢比铁素体不锈钢更不易发生氢脆。然而，电弧焊或钎焊等传统修复方法往往会在热影响区引发不必要的相变，如δ铁素体或马氏体的形成。Yu等人[12]比较了焊接和增材制造工艺修复后热影响区的特性。对于相同尺寸的修复区域，传统焊接工艺产生的热影响区宽度约为2.2毫米，而增材制造工艺形成的热影响区则明显更窄，仅为约102微米。这些相变区域不仅会降低材料的力学性能，还会成为氢扩散和裂纹扩展的优先路径，进而削弱抗氢脆能力[13]。

针对这一问题，近期有一些研究探索了利用DED工艺修复以提高抗氢脆性能。由于DED工艺具有快速的热循环和固化特性，能够形成精细的亚结构，有助于实现氢的均匀分布并抑制局部脆化。例如，Liu等人[14]发现，尽管经DED处理的SUS316L吸收的氢气量高于传统加工方式，但其抗氢脆性能却得到了提升。同样，Wang等人[15]也指出，DED工艺形成的微观结构能有效减缓裂纹的产生与扩展，因为该结构可降低氢浓度梯度。

不过，目前大多数研究主要关注最终得到的修复试样，而这些试样并未体现实际修复部件的复杂微观结构。在实际情况中，修复后的部件由基体、热影响区以及沉积层共同构成，存在着明显的微观结构梯度。这些梯度会显著影响氢的扩散和裂纹扩展行为，尤其是由于热影响区较为精细且集中。迄今为止，尚无研究系统探讨过考虑微观结构梯度时DED修复不锈钢的氢脆行为。这一知识空白尤为重要，因为这些梯度可能决定部件在氢环境中的裂纹起始与扩展过程。

为填补这一重要空白，本研究探讨了通过DED工艺修复的SUS316L的抗氢脆性能，重点分析了微观结构差异如何影响氢的捕获、扩散及裂纹扩展。研究表明，DED工艺不仅能恢复材料的力学性能，还能形成有益的微观结构特征，包括通过动态再结晶形成的细小热影响区、含有Cr/Mo偏析的位错胞结构，以及抑制变形诱发的马氏体转变。这些特征共同起到了抑制氢致开裂、提升部件在氢环境中的可靠性的作用。我们的研究结果体现了DED工艺作为在富氢环境中使用的关键部件修复技术的巨大潜力。

章节节选

通过DED修复工艺制备样品

在DED修复过程中，使用了粒径在67–163微米之间的球形SUS316L粉末。基体材料则选用厚度为10毫米的商业热轧SUS316L钢板。SUS316L粉末与基体的化学成分详见表1。修复工作是在氩气保护环境下，使用韩国InssTek公司的MX-lab设备进行的，该设备配备了美国IPG Photonics公司生产的激光模块YLR-300-MM-AC，激光束直径为400

初始微观结构

图2展示了EBSD IPF图、相图以及背散射电子图像，这些图像反映了基体、修复区域以及热影响区不同的初始微观结构。基体区域保持了原有的等轴晶结构，平均晶粒尺寸为22.2微米，这表明DED修复工艺对其几乎没有热影响。由于该区域在沉积过程中没有经历直接熔化或重新加热，因此其原有的微观结构特征得以保留

讨论

根据实验结果，与基体相比，经DED修复的试样具有更浅的热影响区，且抗氢脆性能有所提升。值得注意的是，尽管该试样吸收了更多氢气，但其氢扩散率却显著更低。这种反常现象表明，微观结构特征，尤其是DED工艺特有的微观结构，对氢的传输和捕获机制有着重要影响。为进一步阐明这一点

结论

本研究通过DED修复技术研究了SUS316L不锈钢的抗氢脆性能，重点分析了微观结构的演变、氢的行为以及裂纹扩展机制。主要研究结论如下：

• (1)
  经DED修复的试样不仅力学强度得到提升，抗氢脆性能也显著改善，氢脆指数从基体的26.1%大幅降至2.6%。尽管吸收了更多氢气，该试样的相关性能仍基本保持稳定

作者贡献说明

孙硕洙：论文撰写与编辑、验证、监督、资源提供、项目管理、概念构思。萨宫万在：方法设计、实验研究、概念构思。白朱贤：方法设计、实验研究。郑查熙：论文撰写与编辑、初稿撰写、可视化分析、验证、实验研究。杨大澈：验证、方法设计、实验研究、概念构思。金亨涉：监督、资源提供、项目管理。宋相允：

数据可用性

本研究中的所有数据均可向对应作者索取。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国政府所属的韩国科学技术信息通信部资助的韩国国家研究基金会（NRF）的经费支持[NRF-2022R1A5A1030054; NRF-RS-2024-00345498]。