导读：本文研究了在模拟质子交换膜燃料电池(PEMFCs)阴极环境中，冷变形对激光选区熔化(SLMed)316L不锈钢的微观结构演变和腐蚀行为的影响。结果表明，在<50%的变形水平下，随着变形量的增加，耐腐蚀性有所提高，这是由于变形孪晶、细化亚晶粒，形成了稳定的钝化膜。在70%的变形水平下，马氏体形核降低了钝化膜的稳定性，从而降低了耐腐蚀性。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是最有前途的清洁能源转换系统之一，具有高效率发电和充分利用可再生能源的巨大潜力，因此已成为传统内燃机和其他电池的强大竞争对手。双极板是PEMFC的关键部件之一，在电池组中提供多种功能。它提供相邻电池之间的电气连接，同时也是不同电解质的分离器。此外，双极板具有复杂的流场，通过优化表面流场，可以实现电解质的均匀分布。因此，双极板所需的各种功能需要一系列复杂的技术来实现。遗憾的是，由于材料浪费和制造复杂流道的挑战性，传统的成型和切割工艺无法提供许多改进。作为替代方案，激光选区熔化（SLM）制造技术的使用与双极板制造非常兼容，例如近净形状生产、低生产时间、高材料利用率，以及几乎没有几何收缩。SLM根据其计算机辅助设计模型逐层构建组件。整个过程只需几个步骤，从计算机建模到使用SLM设备以最少的机械设备直接生产。与传统的双极板成型方法相比，SLM板大大简化了制造过程，并有助于降低成本。

316L不锈钢具有优良的机械强度、耐腐蚀性、气密性、高导电性、制造简单、成本低等优点，是双极板的常用候选材料。由于其高强度，可以形成极薄的板材（厚度小于0.1 mm），这是一个重要优势，尤其对于质量和体积至关重要的运输应用中。传统金属双极板的制造工艺，如冲压、铸造和液压成形，通常会在双极板上产生不同程度的变形。双极板作为电池组的骨架，在组装和使用过程中也会不可避免地发生变形，这些变化最终会影响其在PEMFC环境中的耐腐蚀性。人们广泛研究了冷变形对常规奥氏体不锈钢组织演变和耐蚀性的影响；然而，SLM 不锈钢的微观结构与其他材料有很大不同。总的来说，SLMed 316L SS在变形过程中相对稳定，这是因为在晶胞结构边界处存在强烈的位错捕获和保留机制。此外，表面高密度的大角度晶界（HAGB）会阻碍位错流动速率，促进位错堆积。SLMed 316不锈钢主要由面心立方奥氏体相组成。Beak等人的研究表明，尽管施加变形严重，增材制造304不锈钢中并未发生从奥氏体到马氏体的应变诱导转变。然而，大变形水平条件下，马氏体相变仍发生（变形量69%）。也发现SLMed 316L不锈钢在室温下几乎没有马氏体相变，而变形温度降低(?196°C）时，由于层错能的降低，产生了应变诱发马氏体。SLM过程中形成的晶粒织构对α′马氏体相变有显著影响。

复杂的变形机制导致SLM不锈钢冷变形后的微观结构发生变化，从而影响其在溶液中的耐蚀性。首先，由于SLM 316L不锈钢的高凝固速率，几乎难以观察到MnS夹杂物；也就是说，在SLM过程中，这些二次元素没有时间扩散和沉淀成夹杂物；因此，SLM材料的耐腐蚀性得到了提高。其次，SLM 不锈钢中不可避免地存在孔隙，但它们对其耐腐蚀性的影响尚不清楚。第三，晶界和相界对晶间腐蚀和点蚀有很大影响，后者涉及晶界处的沉淀和元素偏析。第四，SLM产生的独特子界面表现出一定的影响，例如熔池边界、重熔区、变形孪晶（DTs）和胞状结构。它们对不锈钢腐蚀行为的影响是复杂且有争议的。迄今为止，SLM不锈钢在冷变形过程中的微观结构演变尚未完全阐明，也没有研究SLM不锈钢在变形过程中的腐蚀行为。

基于此，北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室和新材料技术研究院采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、能谱仪（EDS）和电子背散射衍射仪（EBSD）对不同变形程度的SLMed 316L不锈钢的微观结构进行了表征。通过动电位极化、电化学阻抗谱（EIS）和Mott-Schottky研究了钝化膜的腐蚀行为和半导体特性。用X射线光电子能谱（XPS）对钝化膜的组成进行了定性研究。最后，从薄膜的角度讨论了亚晶界、孪晶界和位错对SLMed 316L不锈钢腐蚀行为的影响。相关研究结果以题“Effect of cold deformation on corrosion behavior of selective laser melted 316L stainless steel bipolar plates in a simulated environment for proton exchange membrane fuel cells ”发表在腐蚀顶刊《Corrsion Science》上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110257

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