日本东北大学《Corrosion Science》：激光粉末床熔融不锈钢中基体化学驱动的纳米氧化物原位物相演化及其抗点蚀机理

向金属基体中引入纳米氧化物颗粒构建氧化物弥散强化（ODS）合金，已被广泛认为是协同提升材料综合性能的有效策略。然而，在激光增材制造的极端热物理条件下，一个长期被忽视的科学盲区成了制约该领域的“黑箱”：不锈钢基体中的合金元素与外加纳米增强体之间究竟发生了怎样的化学交互？这种原位反应又是如何决定最终的氧化物晶型、微观组分，并最终映射到材料核心的耐腐蚀性能上的？传统研究往往默认增强体在熔池中保持稳定或仅发生简单的分布式贡献，模糊了基体元素参与原位物相改造的关键角色。

针对这些问题，日本东北大学（Tohoku University）材料加工学系Naoyuki Nomura（野村直之）教授团队，通过精准定制“消除特定合金元素（Si、Mn）”的受控对比实验，彻底解明了激光粉末床熔融（L-PBF）过程中，由基体成分主导的纳米氧化物原位物相演化路径，及其对钝化膜特性和局部抗点蚀能力的决定性影响。相关成果以“Elucidating the impact of oxide dispersion chemistry on mechanical and corrosion behavior of austenitic steels fabricated via laser powder bed fusion”为题，发表于金属材料腐蚀领域顶级期刊《Corrosion Science》上。该论文第一作者为博士生王潇，野村直之教授与周伟伟准教授为论文的共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.114100

图1 经改性异质凝聚法制备的复合粉末设计策略及L-PBF成形工艺示意图

图6 TEM和EELS显微表征揭示标准316L ODS合金中非晶态Y-Si-O纳米颗粒的元素偏析

图7 HR-TEM与GPA应变分析揭示无Si、Mn ODS合金中晶态 YCrO3 纳米颗粒与奥氏体基体的半共格界面关系

图9 各组别试样在3.5 wt% NaCl溶液中的动电位极化曲线及点蚀电位对比

图10 电化学阻抗谱（EIS）Nyquist图、Bode图及用于解析钝化膜特性的等效电路模型

图12 极化测试后试样表面点蚀坑形貌与局部微区元素变化的SEM-EDS分析

图13 XPS高分辨谱表征阐明Y2O3促进富Cr=O3连续致密钝化膜形成的高效催化动力学

该文主要发现

1、在激光熔池极端的高温瞬态热循环下，基体亲氧元素与纳米增强体之间的原位竞争反应动力学是决定整个材料演化走向的源头之问。常规316L不锈钢基体中固有的Si和Mn元素由于具有极高的氧亲和力，在高达103-108 K/s的超快冷却速率下，展现出了主导熔池冶金行为的“竞争非晶化”倾向。当初始外加的Y2O3纳米颗粒在超过 2773 K 的极端高温下发生边界甚至完全溶解后，解离出的Y、O原子在随后的极速降温中，极易被Si这种强玻璃网络形成剂俘获。Si元素在熔池凝固前沿倾向于形成过冷度极大的玻璃态网络拓扑结构，强行将随机分布的 Y、Mn和O原子锁死在异质无序状态，从而被迫触发了原位非晶化交互反应。相反，当主动裁剪并消除了基体中的Si和Mn元素后，这种强烈的非晶化动力学竞争路径被彻底阻断，熔池中不再具备形成高黏度非晶网络的条件，解离的 Y、O 原子得以摆脱干扰，转而与基体中的高浓度主元 Cr 发生高效的选择性热力学反应，使整个熔池的物相演化路径重回热力学平稳、更有序的晶态构建方向。

2、这种原位反应路径的根本差异，在纳米尺度上直接决定并精准重塑了弥散相的最终晶型以及它与基体之间的界面组分特征。利用高分辨透射电镜结合电子能量损失谱对弥散相进行原子级精细表征发现，保留Si、Mn的常规体系在凝固后，奥氏体晶格间最终冻结并析出的是平均粒径为26.7 nm的非晶态 Y-Si-O 复杂球形纳米颗粒，这种非晶/晶态界面在三维空间上呈现出严重的拓扑不连续与物理性质突变。而在主动消除竞争元素的无Si无Mn体系中，熔池原位反应成功诱导析出的是平均粒径为30.2 nm、具有长程有序结构的晶态 perovskite 型YCrO3纳米相。更为关键的是，这种原位生成的晶态纳米相展现出了与周围奥氏体基体完美的半共格晶体学取向关系，通过原子面外延排列，两者的界面晶格错配度被大幅压缩至惊人的 1.24%，局部错配应变场和界面能均降到了极低点，在基体内部牢固树立起了微观结构连续的“晶体学桥梁”。

3、厘清了增强体微观物相与界面状态的本质后，本工作最核心的里程碑式创新，在于首次通过完整的电化学连续证据链，彻底拉通了这种界面状态如何映射并决定材料在严苛服役环境中的最终抗点蚀能力与钝化动力学。在常规 ODS 体系中，由于非晶态 Y-Si-O 颗粒与奥氏体基体之间存在巨大的热膨胀系数错配，凝固后在颗粒晶界处留下了极高的微观残余应力，加之异质界面缺乏化学连续性，在带有氯离子的严苛介质中（3.5 wt% NaCl 溶液），该非晶/晶态界面迅速沦为氯离子优先吸附、渗透并进攻的局部化学脆弱点，极易诱发早期微裂纹与电化学失稳，导致局部点蚀过早发生，限制了 ODS 本应带来的耐蚀增益。与之形成鲜明对比的是，无Si、无Mn 体系中由于形成了半共格的晶态YCrO3纳米颗粒，不仅消除了引发局部应力集中和电化学进攻的敏感位点，其均匀固溶于钝化膜底层的Y 元素更扮演了关键的催化动力学角色。通过 Mott-Schottky 曲线和 XPS 深度剖析发现，基体中溶解再析出的Y极大地降低了钝化膜成核与生长的激活能，高效催化表面形成了点缺陷密度极低、保护性极高的富Cr2O3钝化膜，使膜层中关键的保护性Cr2O3阳离子占比由常规的 14.2% 暴增至 40.4%。在超低缺陷的晶态共格界面与高效催化钝化的强烈双重协同效应下，材料的点蚀电位（Epit）实现了从0.491 V到0.714 V的惊人跨越，膜电阻阻抗跨越式提升至2.49×105 Ω·cm2，从根本上释放并重新定义了 ODS 策略在严苛工业环境下的抗腐蚀极限。

结论与展望

该工作的探索结果或可为未来极端环境用高性能 ODS 合金的设计与改性提供一种新的思考维度。研究提示我们，在利用增材制造技术构筑氧化物弥散强化金属基复合材料时，除了关注外加增强体的固有属性与配比外，基体固溶元素在微熔池瞬态冶金过程中与增强体发生的复杂化学交互同样值得纳入考量。由于激光熔池内部的原位反应极其复杂且受到诸多非平衡态工艺参数的制约，本工作所揭示的反应路径和调控规律仍具有一定的局限性。未来仍需结合更广泛的成分体系、更长周期的服役环境评估以及更深层次的理论模拟，以进一步阐明和验证这类原位反应的普适性机理，共同推动增材制造高性能复合材料领域的持续发展与应用。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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