增材制造是一种根据数字模型逐层直接打印三维(3D)部件的颠覆性技术，正在逐渐改变人们的生产和生活方式。选择性激光熔化(SLM) 技术作为先进金属增材制造技术的代表，在过去十年中已经广泛应用于医疗、航空航天和能源等多个重要领域。利用SLM技术可以制造出传统制造方法无法制造的近净成型和形状复杂的零件。由于SLM技术可以大大缩短所需零部件从设计到生产制造的时间，从而缩短反应堆维护或换料维修的时间，提高核电的经济性，因此非常适合用于核电站复杂部件的生产。然而，通过SLM技术生产的材料具有与传统锻造材料截然不同的微观和细观结构，材料的性能将不可避免地受到影响，因此科研人员应对SLM材料在相关的服役环境中进行仔细评估。目前关于打印态不锈钢在核电环境损伤行为和机理的研究十分有限，特别是对于该材料的应力腐蚀开裂(SCC)行为的研究主要集中在沸水型反应堆的环境。因此缺乏对于SLM不锈钢材料在压水堆(PWR)环境下SCC行为的研究。
针对上述问题，西安交通大学匡文军教授团队通过慢应变速率拉伸试验(SSRT)，研究了SLM 304L不锈钢在高温加氢水环境中的SCC敏感性，并与两种核用锻造态304不锈钢的SCC行为进行了比较。有趣的是，研究发现SLM 304L不锈钢相较于两种锻造态304不锈钢表现出更低的SCC敏感性，而这主要归因于其成分的优化。在腐蚀方面，由于Si和Mn含量的降低，SLM 304L不锈钢的抗晶间氧化性能显著提高。此外，SLM 304L不锈钢中较高的位错密度可以加速溶质原子的扩散，从而进一步增强其抗晶间氧化能力，促进氧化物在裂纹内的析出，从而阻碍腐蚀介质的进入。在力学方面，在位错细胞和纳米氧化物夹杂物的共同作用下，位错在晶粒基体中的运动受到阻碍，平面滑移受到抑制，从而缓解了SCC的裂纹萌生倾向。因此，优化的化学成分和打印态的微观结构使SLM 304L不锈钢具有更高的SCC抗力。
SLM 304L不锈钢在SSRT试验中氧化和开裂的时间演变示意图
上述研究成果丰富了人们对于打印态材料应力腐蚀开裂机制的认识，为增材制造材料在核电环境中的应用提供了实验和理论上的参考。相关研究成果以“Insights into the stress corrosion cracking resistance of a selective laser melted 304L stainless steel in high-temperature hydrogenated water”发表在《Acta Materialia》（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118561）上。西安交通大学博士生张世豪为论文的第一作者，西安交通大学匡文军教授为唯一通讯作者。参与此工作的还有西安交通大学的王生凯博士、冯兴宇博士、宁泽昊硕士，上海理工大学的侯娟副教授。该研究得到国家自然科学基金委(51971172)和国家重点研发计划(2019YFA0209900)的共同资助。
