激光选区熔化制造的316L/B30多材料双金属结构的成分梯度界面微观组织与腐蚀行为

为何混合金属很重要

从喷气发动机到海上风力涡轮，现代机械必须承受极端的高温、盐雾和应力。没有单一金属能在所有方面都表现出色，于是工程师转向在同一件3D打印零件中平滑融合不同合金的做法。本研究考察了不锈钢与铜合金的这种混合体，提出了一个非常实际的问题：究竟在哪儿先开始生锈，为什么会这样？

逐层构建的金属三明治

研究人员采用激光选区熔化（LPBF）——一种金属3D打印方法——制造出从316L不锈钢过渡到富铜合金B30的块体。不是采用突变的接合，而是在中间区域设置了成分梯度，通过十个步骤按受控比例混合两种粉末。这样的平滑过渡旨在减小由于钢与铜在加热和冷却行为上差异很大而引起的开裂，同时仍能把不锈钢的强度和耐蚀性与铜的优良电导、热导结合起来。

隐藏的微观景观

显微镜和X射线技术揭示，两种金属的界面并非简单混合，而是由两种主要成分精细交织的网络：与不锈钢相关的富铁区和与B30合金相关的富铜区。这些区域形成复杂的互锁岛状与带状结构，尺度为几微米——远小于人发丝。尽管在钢一侧存在一些微裂纹，但在梯度区域的结合总体上是可靠的，说明3D打印层间熔合良好。打印过程中快速加热与冷却留下致密缺陷与内应力，同时也将这种复杂的双相组织“冻结”了下来。

腐蚀最严重的地方

为了观察这种混合金属在盐水环境中的表现，样品被浸泡在浓度为3.5%的盐溶液（类似海水）中，最长达一周。富钢一侧保持相对平整，由富铬氧化物形成的一层薄保护膜保护着。富铜一侧则更明显地腐蚀，表面变得粗糙并覆盖白色腐蚀产物。最突出的是中间一带——尤其是在成分约为60–70% B30的区域——那里点蚀更深，腐蚀层也比样品其他部位更厚更复杂。

金属内部的大与小电池

该脆弱中间区的行为源于“两级内建电池”。在大尺度上，沿梯度的不同成分带具有略微不同的电位，因此当它们在盐水中连通时会形成宏观的电偶电池：某些区域成为阴极（受保护），而其他区域成为阳极（牺牲）。在小尺度上，每个带内的微小富铁岛与富铜岛也存在电位差。测量表明富铁区往往更“贵”，因此成为局部阴极，而附近的富铜区更易溶解，成为局部阳极。当两相在连续且紧密交织时——如在含60–70% B30的区域——这些大尺度与小尺度效应相互叠加，沿富铜通道驱动出格强烈的腐蚀。

对实际零件的意义

对于设计3D打印多金属部件的工程师来说，这项研究既有令人安心的结论，也有需要注意的警示。由不锈钢到铜合金的渐变能被可靠打印并良好结合，但腐蚀并非均匀分布。相反，腐蚀在一个特定的成分窗口内集中发生，那里的电位不平衡最强且两相互连最紧密。实际上，这意味着设计者应避免在该高风险成分范围内放置关键构件，或在设计上采取额外保护措施——例如涂层或结构调整——以控制电偶效应。明确知晓混合金属在盐水中何处以及为何失效，有助于我们制造更安全、更耐久的高性能部件。

引用: Zhang, Z., Zhang, Q., Zhuo, X. et al. Compositionally graded interfacial microstructure and corrosion behavior of 316 L/B30 multi-material bimetallic structure fabricated by laser powder bed fusion. npj Mater Degrad 10, 25 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00738-3

关键词: 激光选区熔化, 双金属腐蚀, 不锈钢 铜, 梯度材料, 增材制造