增材制造金属的腐蚀行为与机理

本书着重研究增材制造成形金属的打印工艺、组织结构与耐蚀性能之间对应关系，旨在阐述这种新兴工艺制备金属的腐蚀行为，包括点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳和氢脆等。本书侧重材料组织结构对腐蚀行为作用机理，兼顾3D打印技术特征，注重材料学科学术前沿探索和工程实践，可为3D打印设计、制造和防护的科技人员提供帮助。

随着航空航天、电子信息、能源化工、轨道交通及生物医用等领域对快速成形和制造的需求逐年增长，源于20世纪80年代的快速成形技术——增材制造技术（3D打印）在全球范围内引起了广泛的关注并得以迅速发展。
与传统制造工艺相比，增材制造技术制备的金属材料具有以下突出优点：快速凝固组织呈晶粒细小、组织致密等特征，综合力学性能优异；可实现复杂结构无模具近终成形，产品研发周期短，制造成本低；适用材料广泛，零部件设计思维不受传统制造工艺局限，可高效制备难以加工的复杂金属零部件；制造过程中根据实际使用需求设计不同部位的成分和组织，提高材料的综合性能，扩大应用范围。
目前，国内外相关研究机构与企业等已利用增材制造技术制造、研发了各类产品并应用，既探索了该领域科学前沿问题，又满足了重大装备制造需求，行业近年来保持了很高的增长速率。金属增材制造过程中，熔池内的瞬间温升快、冷却快、成分过冷度大，同时激光和粉末交互作用过程中，涉及黏度梯度、金属蒸气等复杂的传质、传热过程，导致增材制造组织结构具有明显的各向异性特征，化学和物理特性不均匀，并且不可避免地存在少量微孔洞或裂纹。这些组织特征使得增材制造金属具有较大的腐蚀敏感性，可能降低成形件的安全等级及服役寿命。因此，需要系统研究增材制造金属的粉末特性、打印工艺、材料特征和腐蚀行为，为材料优化和工程应用提供技术支撑。
本书得益于北京科技大学和上海材料研究所在该领域的科研合作，归纳梳理了联合研究团队近5年的部分研究结果，以期给出增材制造金属成分、组织结构、力学性能和腐蚀性能之间的关系。全书共8章，第1章概括介绍增材制造技术发展，增材制造成形金属的应用及腐蚀行为特征；第2章详细介绍了激光选区熔化（SLM）成形316L不锈钢的腐蚀行为与机理；第3章介绍了SLM成形15-5PH高强度不锈钢的腐蚀行为与机理；第4章介绍了SLM成形CoCrMo合金腐蚀行为与机理；第5章介绍了SLM成形AlSi10Mg铝合金腐蚀行为与机理；第6章介绍了SLM成形Ti6Al4V钛合金腐蚀行为与机理；第7章介绍了SLM成形哈氏合金腐蚀行为与机理；第8章介绍了激光金属沉积（LMD）成形Inconel 718合金腐蚀行为与机理。书中研讨了粉末性质、打印工艺、组织结构与耐蚀性能之间的对应关系，有助于更好地理解增材制造金属的腐蚀行为，对优化增材制造工艺参数和制定防护方案具有实践应用意义。
本系列研究工作是在国家重点研发计划项目（No.2017YFB0702300）、国家自然科学基金项目（No.52125102、No.51871028）、中央高校基本科研业务费（No. FRF-TP-19-003B2）和科技部国家材料腐蚀与防护科学数据中心的共同资助下完成的，在此一并感谢！
本专著是对增材制造典型金属腐蚀行为及机理现有研究成果的阶段性总结，各章参加编写人员如下：第1章由孔德成、张亮、孙晓光、肖葵、董超芳编写；第2章由孔德成、满成、李瑞雪编写；第3章由王力、张维、董超芳编写；第4章由胡亚博、邹士文编写；第5章由纪毓成、董超芳编写；第6章由乔炳轩、纪毓成、董超芳编写；第7章由孔德成、倪晓晴、贺星编写；第8章由孔德成、倪晓晴、张亮编写。
感谢北京科技大学新材料技术研究院的各位同仁在完成本书的过程中给予的支持与鼓励，同时也感谢上海材料研究所3D打印中心的吴文恒、卢林、王涛等工作人员对于本项目工作的参与和大力支持。特别感谢李晓刚教授对于本书的出版给予了大力支持，提出了非常宝贵的意见。此外，感谢所有在本书撰写过程中做出贡献的朋友们。
由于受工作和认识的局限，本书存在一些不妥之处在所难免，希望读者赐教与指正。

董超芳　
2022年8月

董超芳，北京科技大学，副院长、教授、博士生导师，国家材料环境腐蚀平台副主任，教育部腐蚀与防护重点实验室副主任。围绕金属腐蚀集成计算与耐蚀材料设计开展研究，基于材料基因工程理念，探索由经验指导转变为理性设计与调控的技术和方法。2009年入选北京市科技新星计划，2011年入选教育部新世纪优 秀人才计划，2012年获教育部霍英东青年教师奖，2012年获国家优青基金资助，2017年国家重点研发计划项目首席科学家。发表SCI论文200余篇，H-因子29。获国家发明专利20项，美国专利2项，国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖5项。

本书着重研究增材制造成形（3D打印）金属的打印工艺、组织结构与耐蚀性能之间对应关系，旨在阐述这种新兴工艺制备金属的腐蚀行为，包括点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂和氢脆等。全书共8章，对增材制造316L不锈钢、15-5PH高强度不锈钢、CoCrMo合金、AlSi10Mg合金、Ti6Al4V合金、哈氏合金和Inconel 718合金的腐蚀行为与机理进行了系统的探讨，为读者展现出了丰富的增材制造金属独特的腐蚀行为与案例。可为科研人员提供成分设计、工艺优化、组织调控和腐蚀控制等方面的服务与技术支撑，为增材制造金属用户提供基础的数据和参考，为提高增材制造金属的耐蚀性与使用寿命提供技术保障。
本书适合从事金属增材制造的科技人员阅读，也可作为高校相关专业高年级本科生及研究生的参考书。

第1章 概论 001
1.1 增材制造技术概述  002
1.1.1 增材制造技术的定义及发展历程  002
1.1.2 增材制造技术的分类与特点  004
1.2 金属增材制造技术  008
1.2.1 金属增材制造的工艺与原理  008
1.2.2 金属增材制造技术的发展趋势  013
1.3 金属增材制造用球形粉末及其制备技术  014
1.3.1 金属增材制造用粉末特性  014
1.3.2 气雾化球形金属粉末制备技术  017
1.3.3 旋转电极球形金属粉末制备技术  019
1.3.4 等离子雾化球形金属粉末制备技术  021
1.4 增材制造金属的组织结构特征  022
1.4.1 晶粒及亚结构  022
1.4.2 偏析偏聚  023
1.4.3 孔隙  024
1.4.4 裂纹  025
1.4.5 残余应力  025
1.4.6 表面粗糙度  026
1.5 增材制造金属的腐蚀行为与特征  027
1.5.1 点蚀  028
1.5.2 晶间腐蚀  029
1.5.3 应力腐蚀开裂  030
1.5.4 氢损伤  031
1.5.5 其它腐蚀类型  032
1.6 金属增材制造技术的应用领域  033
1.6.1 生物医疗  034
1.6.2 航空航天  035
1.6.3 能源化工  038
1.6.4 轨道交通  040
参考文献  041

第2章 SLM成形316L不锈钢的腐蚀行为与机理043
2.1 SLM 316L不锈钢组织结构特征及打印参数的影响  044
2.1.1 各向异性  044
2.1.2 晶界特征  046
2.1.3 夹杂物分布  048
2.1.4 胞状结构  051
2.1.5 激光功率  054
2.1.6 扫描速度  056
2.2 热处理对SLM 316L不锈钢组织结构和腐蚀行为的影响  059
2.2.1 热处理对SLM 316L不锈钢组织结构的影响  059
2.2.2 热处理对SLM 316L不锈钢腐蚀行为的影响  062
2.3 SLM 316L不锈钢钝化特性与腐蚀行为  065
2.3.1 孔隙缺陷处的腐蚀行为  065
2.3.2 钝化膜的组成结构与耐蚀性  068
2.3.3 点蚀萌生与扩展规律  072
2.3.4 晶间腐蚀行为  076
2.3.5 应力腐蚀行为  079
2.3.6 氢损伤行为  080
2.3.7 燃料电池环境中的腐蚀行为  085
2.3.8 模拟体液环境中的腐蚀行为  089
2.4 工程应用分析与展望  091
2.5 本章小结  093
参考文献  094

第3章 SLM成形15-5PH高强度不锈钢的腐蚀行为与机理097
3.1 打印参数对SLM 15-5PH不锈钢组织结构及耐蚀性的影响  098
3.1.1 组织结构及力学性能  099
3.1.2 腐蚀行为及机理  103
3.2 热处理制度对SLM 15-5PH高强度不锈钢性能的影响  108
3.2.1 显微组织演变  108
3.2.2 腐蚀行为及机理  112
3.3 SLM 15-5PH高强度不锈钢显微组织对腐蚀行为的影响  117
3.3.1 显微组织演变  118
3.3.2 钝化特性及点蚀行为  122
3.4 工程应用分析与展望  128
3.5 本章小结  130
参考文献  131

第4章 SLM成形CoCrMo合金的腐蚀行为与机理133
4.1 SLM CoCrMo合金的成形工艺与组织结构特征  134
4.1.1 SLM CoCrMo合金成形工艺  134
4.1.2 SLM CoCrMo合金组织结构  136
4.2 SLM CoCrMo合金在含氯溶液中的腐蚀行为  140
4.2.1 在氯化钠溶液中的腐蚀行为  140
4.2.2 在模拟发炎环境中的腐蚀行为  149
4.3 SLM CoCrMo合金在磨损条件下的腐蚀行为  158
4.4 热处理对SLM CoCrMo合金组织结构及腐蚀行为的影响  166
4.4.1 不同热处理制度下SLM CoCrMo合金的组织演变  166
4.4.2 不同热处理制度下SLM CoCrMo合金的腐蚀行为  172
4.5 工程应用分析与展望  174
4.6 本章小结  175
参考文献  176

第5章 SLM成形AlSi10Mg合金的腐蚀行为与机理179
5.1 SLM AlSi10Mg打印参数对组织结构影响的模拟计算  180
5.1.1 第一性原理与分子动力学建模  180
5.1.2 SLM打印功率对组织结构的影响  185
5.2 SLM AlSi10Mg合金组织结构与性能特征  188
5.2.1 相组成与分布特征  188
5.2.2 亚晶胞界特征  190
5.3 SLM AlSi10Mg合金腐蚀行为  191
5.3.1 均匀腐蚀行为规律  193
5.3.2 点蚀萌生与扩展规律  195
5.3.3 腐蚀各向异性  196
5.3.4 热处理后的腐蚀行为  199
5.4 工程应用分析与展望  201
5.5 本章小结  202
参考文献  203

第6章 SLM成形Ti6Al4V合金的腐蚀行为与机理205
6.1 打印参数对SLM Ti6Al4V合金组织结构的影响   206
6.1.1 激光功率  206
6.1.2 扫描速度  208
6.2 SLM Ti6Al4V合金组织结构与性能特征  209
6.2.1 相组成与结构特征  209
6.2.2 晶界特征  211
6.2.3 各向异性  213
6.2.4 力学性能  217
6.3 SLM Ti6Al4V合金钝化特性与阳极氧化  220
6.3.1 钝化及点蚀行为  220
6.3.2 热处理对腐蚀行为的影响  223
6.3.3 微纳表面结构制备与表征  229
6.3.4 微纳表面耐蚀性能  235
6.4 工程应用分析与展望  239
6.5 本章小结  241
参考文献  242

第7章 SLM成形哈氏合金的腐蚀行为与机理245
7.1 打印参数对SLM 哈氏合金组织结构及性能的影响   247
7.1.1 激光功率  247
7.1.2 扫描速度  249
7.2 SLM哈氏合金组织结构与性能特征  252
7.2.1 相组成与分布特征  252
7.2.2 晶界特征  253
7.2.3 力学性能  255
7.3 SLM哈氏合金钝化特性与腐蚀行为  256
7.3.1 钝化膜组成与耐蚀性  256
7.3.2 点蚀萌生与扩展规律  260
7.3.3 高温氧化行为  263
7.4 工程应用分析与展望  267
7.5 本章小结  267
参考文献  269

第8章 LMD成形Inconel 718合金的腐蚀行为与机理271
8.1 高通量LMD Inconel 718 合金的制备工艺  272
8.2 Nb含量对LMD Inconel 718 合金组织与性能影响  273
8.2.1 成分与相组成  273
8.2.2 微观组织结构  277
8.2.3 力学性能  281
8.2.4 腐蚀行为  283
8.3 第二相颗粒对LMD Inconel 718 合金组织与性能的影响  287
8.3.1 组织结构与成分分布  287
8.3.2 微电偶效应及局部腐蚀行为  293
8.3.3 摩擦磨损性能  295
8.4 工程应用分析与展望  297
8.5 本章小结  298
参考文献  299