水下激光定向能量沉积修复核级316LN不锈钢在0.3 MPa压力下的腐蚀行为研究

作者及机构
本研究的通讯作者为东南大学机械工程学院的Guifang Sun（孙桂芳），合作作者包括Erke Wu（吴尔克）、Mingzhi Chen（陈明智）、Kai Zhao（赵凯）和Zhandong Wang（王占东）。研究团队来自东南大学机械工程学院（江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室）、南京林业大学机电工程学院及广州腐蚀科学与技术研究所。研究成果发表于期刊*Optics and Laser Technology*（2025年卷182期，文章编号112135）。

学术背景
316LN不锈钢（SS316LN）是下一代核电站关键材料，长期处于高温高压水环境中，易发生腐蚀失效。传统修复技术（如焊接）可能引入热影响区缺陷，而激光定向能量沉积（Direct Metal Deposition, DMD）技术通过激光-粉末协同作用可实现高精度修复。然而，水下环境对DMD工艺的冷却速率、微观组织及腐蚀行为的影响尚未明确。本研究旨在探究水下激光定向能量沉积（Underwater DMD, UDMD）修复的SS316LN在0.3 MPa（模拟30米水深）压力下的腐蚀行为，并与空气中DMD（In-air DMD）修复样品对比，揭示水下修复对材料耐蚀性的影响机制。

研究流程与方法
1. 材料制备与修复
- 基材与粉末：使用预加工梯形凹槽的SS316LN基板（200 mm×100 mm×10 mm）及气体雾化SS316L粉末（Praxair公司）。
- UDMD系统：采用Trumpf Trudisk 6002激光器（波长1030 nm，功率6 kW），配备排水喷嘴形成局部干燥区，氮气作为保护气体（流量25 L/min）。压力舱模拟30米水深（0.3 MPa）。
- 工艺参数：激光功率3000 W，扫描速度21.7 mm/s，粉末送粉率13.0 g/min，重叠率50%，沉积4层。

1. 微观结构表征

   • SEM/TEM分析：通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察修复区组织，发现UDMD样品晶粒更细小（柱状枝晶间距PDA=2.55 μm vs. In-air DMD的2.62 μm），位错密度更高，并存在M7C3碳化物。
     
   • XRD/XPS：X射线衍射（XRD）确认基体为奥氏体相；X射线光电子能谱（XPS）显示钝化膜成分为Cr2O3、Fe2O3和MoO3，含少量金属氢氧化物。
     

2. 电化学测试

   • 电化学阻抗谱（EIS）：在3.5 wt% NaCl溶液中，UDMD样品的极化电阻（Rp=168.70 kΩ·cm²）高于In-air DMD（143.90 kΩ·cm²），表明钝化膜更稳定。
     
   • 动电位极化曲线：UDMD样品的腐蚀电流密度（icorr=0.35 μA/cm²）低于In-air DMD（0.36 μA/cm²），点蚀电位（Epit=499.37 mV）显著提高。
     
   • Mott-Schottky分析：UDMD钝化膜的施主密度（Nd=7.79×10²⁰ cm⁻³）低于In-air DMD（1.24×10²¹ cm⁻³），缺陷减少，空间电荷区厚度更大，抑制Cl⁻渗透。
     

3. 腐蚀形貌分析

   • SEM显示In-air DMD样品点蚀坑更大且密集，EDS证实蚀坑内Cr贫化的氧化物夹杂是点蚀起源。UDMD因晶粒细化和夹杂尺寸小（平均570 nm vs. In-air DMD的415 nm），点蚀敏感性降低。
     

主要结果与逻辑链
1. 微观组织优化：水下快速冷却使UDMD样品晶粒细化、位错密度升高，M7C3碳化物和氧化物夹杂分布更均匀。
2. 钝化膜性能提升：XPS证实UDMD钝化膜富含Cr2O3和MoO3，其高稳定性源于低施主密度和厚空间电荷区，阻碍Cl⁻迁移。
3. 耐蚀性机制：细晶界提供更多钝化膜成核位点，而高氮含量（基材）通过形成氮化铬进一步抑制点蚀。UDMD的Epit提高31.6%，验证水下修复的优越性。

结论与价值
1. 科学价值：首次阐明UDMD修复SS316LN的腐蚀机制，提出水下快速冷却-组织细化-钝化膜稳定性关联模型。
2. 应用价值：UDMD技术适用于核电站水下部件原位修复，可延长设备寿命并降低维护成本。
3. 创新点：
- 开发0.3 MPa压力下的UDMD工艺，实现高致密度修复层。
- 结合Mott-Schottky理论和点缺陷模型（Point Defect Model），揭示钝化膜半导体特性与耐蚀性的定量关系。

其他亮点
- 发现氧化物夹杂尺寸与点蚀敏感性呈正相关，为材料设计提供新依据。
- 通过STEM-EDX元素映射，证实Cr/Mo在钝化膜中的选择性富集是耐蚀性关键。

本研究为核级不锈钢水下修复提供了理论和实践基础，未来可拓展至其他海洋工程材料。