增材制造不锈钢复合物在海水中的摩擦腐蚀行为研究

随着我国综合国力逐步提升，一带一路陆续成形，我们的海上探索行动也越来越重要。这向广大材料科学研究者提出了新的目标，即研发新型适用于海水环境的耐摩擦腐蚀材料。这个目标对海上油气设备、离岸风电设备、水下探索设备等都具有重大意义。本研究通过粘合剂喷射增材制造技术，在形成316不锈钢块材后高温渗入青铜成分，制备了新型的耐摩擦腐蚀材料。结果显示该材料在保持与传统316不锈钢接近的力学性能外，摩擦、磨损和摩擦腐蚀性能均有显著提高。除了发现这种新材料以外，本研究的研究思路也值得参考。

如图1所示，本研究采用粘合剂喷射增材制造技术，将粒径几十微米的316不锈钢微球打印成宏观尺寸的圆盘，在空气中加热稳定5小时后，通过在真空炉中加热渗入青铜组分，从而获得这种新型不锈钢复合物。拉伸测试显示了该复合物与传统316不锈钢接近的屈服强度和略低的极限强度（结果未显示）。纳米压痕测试则显示了该复合物中的316不锈钢组分的硬度和模量都比单独316不锈钢材料高，推测可能是由于材料制备和加工过程中由于位错产生造成的加工硬化（结果未显示）。

制备的不锈钢复合物显示了在海水中更好的磨损特性。如图2所示，虽然不锈钢复合物的摩擦系数在不同速度和载荷下都和316不锈钢相当，但是复合物的磨损率则明显低于316不锈钢，特别是在高载（80N）和高速（20Hz）下。为了研究低磨损率的机理，作者继续对磨痕做了更详细的表征。首先从磨痕形貌上看（图3），不锈钢复合物的磨痕明显比316不锈钢的磨痕要光滑，后者磨痕上存在较多较深的犁沟，这表明316不锈钢的磨损可能要更剧烈一点。磨痕的SEM电镜图片也显示同样的形貌特点，在不锈钢复合物的磨痕上还观察到摩擦层，在摩擦过程减小摩擦配副之间的直接接触。EDS分析显示了两种材料磨痕上的氧化物的形成与载荷、速度有关，不锈钢复合物也出现Cu元素的分布（电镜、EDS结果未显示。）

除了磨痕形貌、元素分布上的差异外，磨痕的微观力学性能也有显著差异。图4显示了采用不同载荷、速度进行摩擦测试得到的磨痕的微观力学性能。可见新型不锈钢复合物具有更低的硬度和模量。随着载荷或者速度的增加，硬度和模量也显示出逐渐下降的趋势。作者推测可能是由于高载、高速下能形成更厚的软摩擦腐蚀膜。这层膜起到了降低磨损的作用。

进一步的电化学极化曲线显示两种材料不同的开路电位。这对电解液中的摩擦腐蚀行为具有重要影响。按照标准ASTM G119的建议，可以通过在摩擦过程中施加一定偏压，来研究摩擦腐蚀的机理，即在如图5所示的海水中摩擦实验中，添加三电极系统，获得不同电位下的摩擦磨损行为。

布鲁克的UMT TriboLab提供了研究摩擦腐蚀行为的电化学模块（图6右上角为电化学模块），可以按照标准建议，研究材料在摩擦和电化学腐蚀同时存在下的行为，为相关领域研究者提供支持。如果您有任何疑问或者需要技术支持，请随时联系我（电子邮箱：yueteng.wei@bruker.com，电话：13381182917）。

此外，本文中提到的表面粗糙度、磨痕三维形貌测试，及样品和磨痕的纳米力学测试，也都是使用布鲁克相应设备获得。在此再次感谢大家对布鲁克设备的支持！

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标题：Sliding wear behavior and electrochemical properties of binder jet additively manufactured

作者：  Long Wang, Anh Kiet Tieu, Shenglu Lu, Sina Jamali, Guojuan Hai, Qiang Zhu, Huynh H. Nguyen, Shaogang Cui*

出处：  Tribology International 156, 2021, 106810.

DOI：    10.1016/j.triboint.2020.106810