高速冷轧变形对激光选区熔化316L不锈钢微观结构与腐蚀行为的影响机制研究

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)双极板材料在高速变形下的腐蚀失效问题，研究人员通过高速冷轧(1.55 mm/s)结合1100°C/0.25h固溶处理，系统研究了SLM(选择性激光熔化)制备的316L不锈钢在0.5 M H2SO4+5 ppm F-环境中的腐蚀行为。发现50%变形量下材料腐蚀电流密度降低87%，归因于49.4%低ΣCSL晶界和0.69的O2-/OH-比例优化，为金属双极板设计提供理论依据。

　　

在新能源技术快速发展的今天，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高效清洁的特点成为能源领域的研究热点。然而作为PEMFC核心部件的金属双极板，在装配和使用过程中不可避免地会遭受高速塑性变形，这对其在酸性环境中的耐腐蚀性能提出了严峻挑战。传统石墨双极板虽具有优良的耐蚀性，但脆性大、加工成本高，难以满足大规模生产需求。316L不锈钢(316L SS)因其优异的机械性能和耐腐蚀性被视为理想替代材料，但通过选择性激光熔化(SLM)技术制备的316L不锈钢存在耐蚀性较传统锻造工艺差的缺陷。更关键的是，目前关于高速变形对SLM制备材料腐蚀行为影响的研究几乎空白。

针对这一系列问题，太原科技大学先进不锈钢材料国家重点实验室的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表了创新性研究成果。他们采用高速冷轧(1.55 mm/s)对固溶处理(1100°C/0.25h)后的SLM 316L不锈钢施加15%-70%的变形量，通过电子背散射衍射(EBSD)、X射线衍射(XRD)、电化学测试和X射线光电子能谱(XPS)等技术，系统研究了材料在模拟PEMFC阴极环境(0.5 M H₂SO₄+5 ppm F^-)中的腐蚀行为演变规律。

研究主要采用了以下关键技术方法：通过高速冷轧实现15%-70%的塑性变形；利用EBSD分析晶界特征和位错密度；采用动电位极化、电化学阻抗谱(EIS)和恒电位极化评估腐蚀性能；结合XPS解析被动膜化学成分；通过Mott-Schottky测试表征半导体特性。

3.1 微观结构分析

EBSD结果显示，随着变形量增加至50%，低ΣCSL晶界比例升至49.4%，低角度晶界(LAGB)达72.5%，晶粒尺寸从28.6μm细化至9.82μm。这种结构优化了晶界稳定性，为腐蚀性能提升奠定基础。

3.2 位错密度演变

KAM(核平均取向差)分析表明，50%变形样品位错密度最高(平均KAM值1.75)，促进了快速钝化反应。XRD检测到15%变形时出现α′-马氏体(10.5 wt%)，70%变形时增至20.3 wt%，为后续腐蚀性能变化提供解释。

3.3 动电位极化

50%变形样品表现出最优异的耐蚀性，腐蚀电流密度(i_corr)仅7.3 μA/cm²，较未变形样品降低87%，极化电阻(R_p)达1.232 Ω·cm²。

3.4 电化学阻抗谱

等效电路拟合显示50%变形样品的被动膜电阻(R_f)高达14610 Ω·cm²，是未变形样品的75倍，证实其被动膜保护性能最佳。

3.5 恒电位测量

电流-时间曲线分析表明50%变形样品的k值(-1.01)最接近理想钝化膜标准(k=-1)，表明其钝化膜致密无缺陷。

3.6 Mott-Schottky分析

50%变形样品的施主浓度(N_D)最低，说明其钝化膜均匀性最好，这与最优的腐蚀性能直接相关。

3.7 XPS分析

关键发现是50%变形样品的被动膜中Cr₂O₃含量达17.85%，O^2-/OH^-比例提升至0.69，形成以氧化物为主的致密保护层。

这项研究系统揭示了高速变形影响SLM 316L不锈钢腐蚀性能的微观机制：适度变形(50%)通过增加低ΣCSL晶界比例和位错密度优化了材料钝化能力；而过度变形(70%)则因马氏体含量超过临界值(20.3 wt%)引发微电偶腐蚀，同时导致被动膜中Cr₂O₃含量降低。研究不仅为PEMFC金属双极板材料的优化设计提供了重要理论依据，也为SLM技术在能源装备制造中的应用拓展了可能性。特别值得注意的是，与传统冷轧工艺相比，高速冷轧能在更低变形量(15%)下诱发马氏体转变，这一发现对理解应变速率对相变行为的影响具有重要科学价值。