氢“偷偷”腐蚀你的3D打印不锈钢？ 一项最新研究揭秘微观变化全过程！

来源：增材金属粉末新视野

近年来，随着氢能应用加速推进，其带来的材料可靠性挑战日益凸显。特别是在增材制造（3D打印）广泛应用于关键构件的今天，一个看似不起眼却致命的问题浮出水面：

"氢气会不会悄悄腐蚀3D打印的不锈钢？"
来自中科院、苏州核电研究院与防城港核电有限公司的联合团队对此展开深入研究，重点关注激光选区熔化（LPBF）制造的UNS S21900奥氏体不锈钢在硫酸介质中的耐蚀性能，在不同氢充时间下，其腐蚀行为会发生什么变化？答案，令人警觉。

研究背景：3D打印不锈钢的"天然优势"是否足以抵御氢？

UNS S21900是一种含氮高锰奥氏体不锈钢，具有：
• 高强度
• 良好的耐氢脆性
• 优异的耐腐蚀性

同时，3D打印制程带来的细胞结构、高位错密度、小晶粒，也被认为提升了其力学与抗氢性能。但这些优势在腐蚀环境+氢侵入的双重作用下能否"站稳脚跟"？这正是本研究要回答的问题。

实验方法简述
• 材料制备：LPBF打印UNS S21900，原料为气雾化粉末。
• 氢充处理：在0.5 M H₂SO₄ + CH₄N₂S电解液中，以50 mA/cm²电流密度充氢4h/8h/12h。
• 腐蚀测试：极化、EIS、Mott-Schottky、XPS等手段全面分析。

结果1：氢越多，腐蚀越快
如图所示：

• 极化曲线明显向左上偏移，表明腐蚀电流增大、钝化能力下降；

• 被动区内电流密度从2.95×10⁻⁶ A/cm²（无氢）上升至2.01×10⁻⁵ A/cm²（12h充氢）；

• EIS测试发现低频电阻（Rct）下降，诱导环出现，说明被动膜稳定性降低。

结果2：被动膜"结构"遭受破坏
XPS揭示氢显著改变了膜的组成：
• Fe²⁺/FeOOH 增加，Cr₂O₃/CrN 减少

• O²⁻/OH⁻ 比例从2.25降至0.05，表明金属氧化物减少、氢氧化物主导 → 被动膜疏松

这意味着什么？
被动膜的保护性能，正是建立在致密稳定的氧化层（如Cr₂O₃）之上。当氢促进Cr从膜中流失，更多"易溶解"的Cr(OH)₃、FeOOH取而代之时，被动膜就像脱了"盔甲"。

结果3：微观结构是"氢通道"？
• ECCI与EBSD（Fig. 1-2）揭示：打印过程中形成的胞状结构和致密位错墙为氢扩散提供了便利；

• 这些微观结构既是"陷阱"，也是"高速公路"；

• 越多氢，越快扩散，越深腐蚀！

结果4：半导体特性恶化
Mott-Schottky测试（Fig. 6-7）显示：

• 膜仍呈n/p混合型半导体特性；

• 空穴浓度（NA）和电子浓度（ND）大幅提升，分别从 2.67×10²² → 5.83×10²² 和 1.91×10²¹ → 2.74×10²¹；

• 膜中缺陷密度升高 → 腐蚀更容易扩展

总结与展望
总结
氢对3D打印不锈钢的腐蚀效应路径如下：

氢充入 → 微观结构促进扩散 → 被动膜成分改变（Cr↓，Fe↑，OH⁻↑）→ 缺陷密度升高 → 腐蚀加剧

未来展望
• 研究建议未来拓展到氯化物环境、微生物腐蚀等复杂工况；

• 如何通过元素合金设计、表面处理、热处理提升其抗氢腐蚀能力，仍是关键方向；

• LPBF制程参数优化，也许能调控微观结构，遏制氢侵害路径！

原文出处：Zhao Q, Luo H, Li C, et al. Hydrogen charging-induced corrosion behavior evolution of an additive-manufactured austenitic stainless steel in sulfuric acid medium. Engineering Failure Analysis, 2025, 178: 109753.