一、研究背景

304L奥氏体不锈钢常用于氢存储、运输等领域，但奥氏体易发生应变诱导马氏体转变，导致氢脆。激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术制备的304L不锈钢微观结构与传统工艺不同，需系统研究其氢脆行为。

二、研究方法

1. 样品制备

• LPBF样品
  使用气雾化304L不锈钢粉末（D50~45μm），通过LPBF制备20mm×60mm×30mm块体。工艺参数：层厚30μm，激光功率180W，扫描速度700mm/s，hatch间距80μm，每层扫描方向旋转90°。
• CA样品
  铸态304L不锈钢经1050℃退火30分钟。
• CA-TMT样品
  CA样品经1000℃热轧减厚50%、1150℃均质化18h、冷轧减厚70%、1050℃退火1h后水淬。

  

2. 实验方法

• 电化学充氢
  室温下，采用2g/L硫脲+0.5M硫酸溶液，电流密度20mA/cm²充氢1天或50mA/cm²充氢5天。(注：充氢后，需要在30min内开始后续的测试工作！)
• 拉伸测试
  初始应变率1×10⁻⁴/s，对比充氢与未充氢样品的力学性能。
• 微观结构分析
  采用EBSD、ECCI、TEM观察晶粒、亚结构、相组成；EDS分析元素分布。
• 氢分析
  热脱附（TDS）测量氢含量和脱附温度，加热至800℃。

  

三、研究结果与规律

1. 力学性能

• 未充氢状态
  LPBF样品屈服强度约520MPa，CA样品约340MPa，CA-TMT样品约240MPa；延伸率LPBF样品约62%，CA样品约85%，CA-TMT样品约96%。
• 充氢后状态
  CA样品的延展性损失程度大于LPBF和CA-TMT样品。氢脆敏感性用εf,H/εf,0（充氢与未充氢延伸率比值）表示，CA样品的值低于LPBF和CA-TMT样品。

2. 微观结构特征

• LPBF样品
  不规则晶粒（平均~47μm），低角度晶界占比约60%，胞状亚结构（直径~350nm），无残留δ铁素体。
• CA样品
  规则晶粒（平均~51μm），退火孪晶，残留δ铁素体（~1vol%）。
• CA-TMT样品
  晶粒更大（平均~62μm），无残留δ铁素体。
• 氢脱附行为
  所有样品的氢脱附峰均在~220℃，氢含量LPBF与CA-TMT样品相似，CA样品略低。

3. 变形与氢脆机制

• 变形行为
  未充氢变形时，LPBF样品早期出现机械孪生；CA和CA-TMT样品先发生滑移，后出现孪生。
• 应变诱导马氏体
  60%应变时，CA样品α'马氏体体积分数约16%，LPBF样品约3%，CA-TMT样品约1%。CA样品的α'马氏体增多与残留δ铁素体和化学不均匀性相关。
• 氢辅助开裂
  裂纹主要在γ-α'界面或α'内部萌生扩展。CA样品的裂纹深度大于LPBF和CA-TMT样品。CA样品中α'马氏体多，氢扩散快，裂纹易扩展；LPBF和CA-TMT样品中α'马氏体少，裂纹易停滞。

四、结论

1. LPBF制备的304L不锈钢无需后续处理即具有全奥氏体结构，强度高于传统工艺样品，氢脆敏感性与CA-TMT样品相似。
2. CA样品因残留δ铁素体和化学不均匀性，应变诱导α'马氏体体积分数高，氢脆敏感性高。
3. 应变诱导α'马氏体是304L不锈钢氢脆的关键因素，其形成促进氢富集和裂纹萌生扩展。