Impact of Elemental Segregation on Active and Transpassive Corrosion Phenomenology of Additively Manufactured 316L
本研究表明，增材制造的 316L 不锈钢中非平衡微观结构内的 Cr、Ni 和 Mo 元素偏析而非位错，决定了其活性及跨钝化腐蚀行为，且最优工艺参数所获得的耐腐蚀性能优于锻造对应材料。
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不锈钢是一种以“沉默”定义的材料；它不生锈，不着渍，也不向自然元素屈服。这种韧性源于其表面一层薄薄且肉眼不可见的氧化铬保护层，它像一道屏障，抵御着水和空气的腐蚀力量。当工程师需要制造复杂、轻量化或传统模具无法铸造的零件时，他们会转向增材制造，这通常被称为3D打印。这类机器并非熔化一整块金属，而是通过高能激光逐层熔化微小的金属粉末来构建物体。虽然这种方法提供了惊人的设计自由度，但金属冷却的方式与传统工厂中的方式截然不同。金属冻结得如此之快，以至于原子甚至没有时间排列成完美、均匀的模式。相反，它们被困在一种失衡的状态中，创造出一种微观景观，使得不同的元素聚集在特定位置，而非均匀分布。
几十年来，科学家们一直知道这种原子的分布不均会削弱材料，但决定这些新型打印金属如何腐蚀的确切规则一直不明朗。弗吉尼亚大学的一个研究小组致力于绘制这些隐藏的模式，并观察它们如何改变金属在暴露于酸液时的溶解方式。他们专注于316L不锈钢，这是一种常用于医疗植入物和化学处理的常见合金，并使用了两种不同的打印方法进行研究：一种是用激光熔化粉末床，另一种是用激光束熔化金属丝。通过将这些打印样本与传统的轧制钢材进行对比，研究人员发现腐蚀过程并非随机发生，而是一种由原子在快速冻结过程中落点所决定的精确化学反应。
研究人员首先观察了金属的微观结构。在传统的轧制钢中，铬和钼等元素就像溶解在水中的糖一样均匀分布，形成均匀的混合物。然而，在打印样本中，快速冷却的作用就像一场突如其来的严冻，将这些元素捕捉在特定区域。在基于粉末的打印方法中，金属形成了微小的细胞状结构模式。这些细胞的壁富含保护性元素，而中心则相对贫乏。在基于线材的方法中，较慢的冷却速度允许第二种晶体结构在主金属旁形成，从而创造出一种两相材料，其中一个相富含保护性元素，而另一个相则较为贫乏。随后，研究团队将这些样本置于一系列酸性溶液中进行测试，有些溶液含有能剥离保护性氧化层的化学物质，另一些则允许保护层重新生成。
当保护层被剥离后，金属被迫直接溶解在酸中。在传统钢材中，表面是逐个晶粒均匀磨损的。但在打印样本中，攻击是选择性的。在基于粉末的样本中，酸液侵蚀了微小细胞的中心，使保护性的细胞壁屹立不倒，形成了一个看起来像稻田一样的表面。在基于线材的样本中，酸液针对的是缺乏保护性元素的那个相，留下富含元素的相保持完整并凸出于表面。研究人员发现，这种溶解速度直接取决于铬和钼的局部浓度。在这些元素匮乏的地方，金属消失得很快；而在它们丰富的区域，金属则能坚守阵地。
随后，研究转向了更高能量的条件，在这种环境下，金属被推向了即使保护层也会开始崩溃的状态。在这种环境下，规则发生了逆转。那些此前因富含铬和钼而显得安全的区域，反而变成了最脆弱的部分。在基于粉末的样本中，酸液首先攻击了细胞壁；在基于线材的样本中，酸液则攻击了保护相。这种逆转证明了同样的化学特征在一种情况下可以保护金属，而在另一种情况下则会使其变得脆弱，这完全取决于施加在表面的能量。研究人员还测试了沸腾酸溶液中的样本，这是检查传统钢材弱点的一种标准方法。他们发现，打印样本中腐蚀率最高的并不一定是化学偏析最严重的样本，而是那些含有微小的、肉眼不可见的空隙（即孔隙）的样本，这些空隙是打印过程中留下的。一个带有此类微小空隙的样本，其腐蚀速度比具有相同化学成分但更致密的样本快三倍。
调查的一个关键部分是确定是什么驱动了这种选择性腐蚀。长期以来，人们一直怀疑在快速打印过程中被困在金属晶体结构中的高密度缺陷（称为位错）可能是导致弱点的原因。这些位错就像由于冷却过快产生的应力而在原子织物中形成的褶皱。然而，研究人员发现，这些缺陷并不是金属溶解的主要原因。腐蚀模式遵循的是化学图谱，而非缺陷图谱。金属是在化学成分不当的地方溶解的，无论那里存在多少个原子褶皱。这一区别至关重要，因为它意味着，为了提高这些打印金属的抗腐蚀能力，工程师不仅需要关注平滑原子应力，更需要确保化学元素尽可能均匀分布。
研究结果表明，当将用于检查传统钢材的抗腐蚀标准测试应用于这些新材料时，可能需要对其进行重新解读。由于打印金属具有复杂的非均匀结构，仅测量总质量损失的测试可能会忽略材料失效的具体局部方式。研究人员得出结论，要真正理解3D打印钢材的耐用性，必须观察腐蚀本身的微观景观。金属的失效并非因为其具有普遍性的缺陷，而是因为其内部地理环境为酸液的侵袭创造了特定的路径。通过理解这些路径，工程师可以调整打印工艺，以最大限度地减少导致这些脆弱性的化学偏析，从而确保下一代打印零件能够像它们旨在取代的传统钢材一样坚固耐用。
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