电弧增材制造AISI 316L在高压气态氢环境下的微观结构、力学性能及氢脆行为

《Results in Engineering》：Microstructure, mechanical properties and hydrogen embrittlement behaviour of Wire Arc Additive Manufactured AISI 316L under High-Pressure Gaseous Hydrogen Environment

　　

氢因其在可再生能源革命和脱碳潜力中的角色在全球备受青睐。然而，有效的氢储存对材料提出了巨大挑战，因为材料容易发生失效。通常，AISI 316L因其抗氢脆（HE）行为而被优先用于氢储存。为有效控制基于HE的失效，研究人员提出了一种通过冷金属转移（CMT）技术的电弧增材制造（WAAM）开发的新材料类别。CMT技术的重要性在于其低发热能力和高电弧稳定性。因此，奥氏体向马氏体转变的可能性降低，使材料能够保留FCC相。CMT工艺具有低热输入特性，可防止材料变脆并降低氢环境中的失效风险。本研究开发了具有线性和编织沉积模式的增材制造AISI 316L样品，以研究失效行为。研究人员使用Sieverts装置在80 bar压力下对样品进行气态氢充注前后表征。光学成像结果表明，金属沉积样品的编织模式比线性模式保持了更高的奥氏体相稳定性。氢暴露后线性模式和编织模式样品的抗拉强度（UTS）分别为765 MPa和801 MPa。电子背散射衍射（EBSD）结果表明，氢暴露的编织模式不影响晶界或晶粒内部状态。基于氢环境中的各种分析，研究发现编织模式对HE具有高度抗性，并保持了打印样品的延展性。

**论文解读：WAAM制备AISI 316L在高压氢气环境下的微观结构、力学性能与氢脆行为**

**研究背景与意义**
氢能作为可再生能源转型和脱碳的关键载体，其高效储存面临材料失效的严峻挑战。传统AISI 316L不锈钢因优异的抗氢脆（HE）性能被广泛用于储存容器，但常规制造工艺（如焊接）的高热输入易诱发奥氏体向马氏体相变，导致材料在氢环境中脆化。电弧增材制造（WAAM）结合冷金属转移（CMT）技术，凭借极低热输入和高电弧稳定性，可抑制有害相变并保持稳定的面心立方（FCC）奥氏体相。本研究旨在比较WAAM制备的AISI 316L在两种沉积模式（线性与编织）下经高压氢气暴露后的微观结构演变、力学性能退化及氢脆行为，以探索更优的增材制造策略。研究成果发表于《Results in Engineering》，为氢储存关键部件的抗氢脆设计提供了新思路。

**主要技术方法**
研究人员采用Fronius CMT机器人以纯氩保护气（98% Ar + 2% CO₂）打印AISI 316L样品，电流70 A、电压15.4 V、行进速度55 cm/min，层间温度150°C，分别制备线性与编织沉积模式。使用Sieverts装置在80 bar、99.999%纯度氢气中室温充电480小时。采用X射线衍射（XRD）分析相组成；光学显微镜（OM）观察微观组织；扫描电镜（SEM）结合能谱（EDS）分析元素分布；电子背散射衍射（EBSD）表征晶粒取向、晶界特征及内部应变；单轴拉伸试验（ASTM E8）评估应力-应变行为；Pulstec μ-X360设备通过cos-α法测量残余应力；Vickers显微硬度（ASTM E384）测试硬度。

**研究结果**
**3.1 XRD分析**
XRD图谱显示，线性与编织模式均以FCC奥氏体相为主，并含少量体心立方（BCC）铁素体相。CMT低热输入有效抑制了奥氏体向马氏体转变，编织模式比线性模式表现出更窄的衍射峰宽化，表明结晶度更高、晶格畸变更小。

**3.2 线性和编织模式性能、微观结构和EBSD分析**
- **光学显微分析**：编织模式中奥氏体相含量更高，铁素体相更少，归因于CMT工艺的低热输入和编织路径的均匀热分布。
- **SEM/EDS元素分析**：编织模式更接近原始焊丝成分（Cr、Ni、Mo等），元素偏析程度更低，表明其凝固过程更均匀。
- **EBSD分析**：编织模式与线性模式均保持98.7% FCC奥氏体相和1.3% BCC铁素体相。编织模式的大角度晶界（HAGBs）比例更高（62.7% vs 59.6%），有利于抑制裂纹扩展。晶粒取向扩展（GOS）值编织模式为5.15°，低于线性模式的6.14°，表明晶粒内部应变更小。核平均取向差（KAM）值编织模式为4.81°，低于线性模式的4.99°，显示位错密度和局部畸变更低。极图分析表明编织模式形成了更强的晶体学织构。综合这些结果，编织模式通过降低局部应变和位错积累，更有效地抵抗氢致局部塑性变形（HELP）和氢致内聚力弱化（HEDE）机制。

**3.3 拉伸应力行为**
- 非氢暴露条件下，线性模式屈服强度（YS）和抗拉强度（UTS）分别为721 MPa和795 MPa，编织模式为751 MPa和819 MPa。
- 氢暴露后，线性模式YS和UTS变为754 MPa和765 MPa，编织模式为762 MPa和801 MPa。编织模式在氢暴露后强度下降幅度更小（YS变化1.46%，UTS变化5.12%），且保持较高延展性，表明其抗氢脆能力更优。

**3.4 残余应力性能**
- 非氢暴露条件下，线性模式残余压应力为-176 MPa，编织模式为-143 MPa。
- 氢暴露后，线性模式残余压应力升至-504 MPa，编织模式升至-358 MPa。编织模式因摆动路径使热分布更均匀，冷却速率更慢，从而产生更低的残余应力，减少氢致开裂风险。

**3.5 显微硬度分析**
- 非氢暴露条件下，线性模式平均显微硬度为186 HV，编织模式为210 HV。
- 氢暴露后，线性模式升至191 HV，编织模式升至213 HV。编织模式在氢暴露前后硬度变化更小（仅3%），且波动更小，表现出更好的微观结构稳定性。

**讨论与结论**
讨论部分指出，WAAM-CMT工艺的低热输入是维持奥氏体相稳定性的关键，编织模式通过延长热循环和均匀散热，进一步优化了微观结构。EBSD结果（低GOS/KAM、高HAGBs）证实编织模式有效抑制了HELP和HEDE机制，从而提升抗氢脆性能。研究结论如下：
- WAAM-CMT工艺提供优异电弧稳定性和低热输入，促进稳定FCC奥氏体相形成，仅含少量铁素体。
- XRD确认两种模式均保留FCC相，编织模式结晶度更高。
- EDS表明编织模式元素分布更接近焊丝成分，偏析更少。
- EBSD显示编织模式微观结构更稳定，晶格畸变和晶内应变更低，抗氢致变形能力更强。
- 拉伸试验表明，编织模式在氢暴露后保持更高强度和延展性，对氢降解具有更高抗性。
- 低硬度特征（编织模式210-213 HV）有利于降低氢脆敏感性，氢暴露后硬度轻微增加但结构稳定。
- 编织模式应变发展更小，抗HE能力更强。