LPBF 316L因为近全致密与力学性能优异，是核电领域技术成熟度最高的增材制造结构材料之一。但由于LPBF独特的成形过程，导致其微观结构的特征和传统锻件完全不同，并且在高温水中的应力腐蚀行为也尤显不同。

近日，上海交通大学联合南洋理工、中科院上海应物所等单位通过设计低、中、高Si三种激光粉末床熔融（LPBF）316L不锈钢，结合消除应力与再结晶两种热处理，在模拟压水堆—回路环境（320℃，15.5MPa）下开展紧凑拉伸SCC试验后发现再结晶非但没有改善SCC抗力，反而让裂纹扩展速率（CGR）显著上升，且Si含量越高，恶化越严重。目前这一成果在线发表于材料领域期刊《Corrosion Science》上，论文题为“Stress corrosion cracking of additively manufactured 316L stainless steels with varying Si contents in high temperature water”

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.113982

【研究方法】

高Si含量的情况下，最佳打印参数的窗口不断缩窄，其中高Si样品在VED超过约110 J/mm³时匙孔明显增多，而在扫描速度>900mm/s下又易出现大面积未熔合缺陷，最终团队选定激光功率189W、扫描速度928mm/s、层厚0.03mm、间距0.08mm作为统一打印参数。三种Si梯度（0.40wt.%、0.87wt.%、1.17wt.%）的LPBF 316L，分别进行消除应力热处理（SR，650℃/1h）和再结晶处理（RE，1200℃/2h），随后在SR和RE状态下做综合测试表征其SCC行为。

不同Si含量与热处理状态下增材制造316L不锈钢SCC裂纹截面处晶界氧化特征的SEM与EDS分析

【研究成果】

① 硅含量升高压缩LPBF工艺窗口

微观上，SR态样品中氧化物细小且均匀分散在晶粒内部；而经过1200℃/2h再结晶后，氧化物发生明显粗化，低Si样品增至352.8nm，高Si样品增至622.6nm，并且原本均匀的晶内氧化物聚集在晶界上，晶界氧化物线密度随Si含量升高而增加，这些粗化颗粒为Si和Mn富集的氧化物。

不同Si含量增材制造316L不锈钢在不同工艺参数下的致密化行为与缺陷分析

不同Si含量增材制造316L不锈钢在应力消除态与再结晶态下的氧化物夹杂尺寸、分布与成分表征

② 晶界化学呈现复杂的此消彼长

Mo在所有条件下均呈现晶界富集，且高Si样品中Mo的富集程度更高，SR低Si样品晶界Mo从基体的1.31at.%升至1.48at.%，而SR高Si样品则从1.18at.%升至1.83at.%。Cr的行为则依赖于热处理，SR态下Cr在晶界几乎没有变化，但再结晶后Cr在晶界出现明显富集，且高Si样品中富集幅度更大。至于Si元素本身，在SR高Si样品中Si呈晶界富集，但在RE高Si样品中反而变为晶界贫化，而低Si样品由于本底浓度低，Si始终无明显偏聚，团队将这种现象归因于高温退火时非平衡偏聚机制，Si通过影响空位分布和迁移，间接促进了Cr和Mo向晶界的输送，而自身却在晶界被挤出。

低、中、高Si含量增材制造316L不锈钢在应力消除态与再结晶态下的EBSD晶粒结构与取向分析

低Si和高Si样品在应力消除态与再结晶态下晶界处STEM-EDS元素分布与线扫描分析

③ 再结晶处理全面抬升裂纹扩展速率

在含氧水中，所有SR样品的CGR集中没有明显差异，在含氢水中CGR更是全部低于1×10-9mm/s。然而，再结晶后含氧水中RE低Si样品CGR为3.2×10-7mm/s，高Si样品升至5.0×10-7mm/s；含氢水中RE低Si样品CGR为1.4×10-9mm/s，高Si样品则升至8.4×10-9mm/s。同时，再结晶后屈服强度和抗拉强度均下降，均匀延伸率大幅提升，这说明再结晶虽然改善了力学各向同性和塑性，却通过改变氧化物和晶界化学促进了SCC的发生。

不同Si含量增材制造316L不锈钢在应力消除态与再结晶态下沿水平与垂直方向的工程应力-应变曲线

不同Si含量增材制造316L不锈钢在应力消除态与再结晶态下经高温水腐蚀后的STEM-HAADF像与EDS元素分布图

④ 断裂形貌揭示再结晶的影响

在SR条件下，裂纹主要沿晶扩展，但裂纹表面相对平滑，氧化晶界区域主要为Fe和Cr的富集，未检测到明显的Si信号。而在RE条件下，裂纹表面布满了高密度的细小结节状特征，这正是再结晶后晶界上的粗化Si-Mn氧化物颗粒在高温水中溶解后留下的痕迹。

这些氧化物颗粒在裂纹前沿反复经历溶解→形成空腔→局部应力集中→优先氧化→膜破裂→再钝化的循环，从而持续驱动沿晶裂纹向前推进。同时，RE低Si样品的主裂纹区附近检测到了富Si氧化物信号，而靠近裂纹尖端则转为Fe-Cr氧化物，RE高Si样品的整个裂纹路径则以Fe-Cr氧化物为主，Si信号不明显，这可能是因为高Si样品中晶界氧化物密度过高，溶解后形成的空腔连通性更好，反而使得整个裂纹路径的氧化产物趋于均匀化。

增材制造316L不锈钢在高温水腐蚀后氧化层及晶界氧化前沿的STEM-EDS线扫描分析

不同Si含量与热处理状态下增材制造316L不锈钢SCC裂纹路径的EBSD IPF与KAM图

【总结与展望】

该工作把AM 316L的SCC理解推进到了成分—热处理—氧化物—晶界偏聚四者耦合的层面，对核电AM部件来说，后续要把辐照（IASCC）加进来再次验证这套规律是否仍然成立，这对真正服役的堆内构件是完整的考验。