一种新工艺让便宜的不锈钢既耐腐蚀又不怕氢脆

可持续生产的氢能是环境友好的能源，为缓解全球变暖提供有效策略。全球对氢能经济的关注日益加强，不锈钢作为氢能生产、储存、运输及能源转换的关键材料，在含氢环境中却面临氢脆和腐蚀的挑战，二者相互加剧，可能导致材料失效和基础设施风险。氢脆是原子氢渗透材料后降低延展性、引发损伤的现象，其机制复杂，现有通过氧化层、微合金化或涂层等方法的防护效果有限，因此亟需开发兼具抗氢脆、耐腐蚀且成本可控的材料。
本文提出通过间隙元素偏聚实现晶界钝化的新策略，而非依赖二次相沉淀或昂贵合金改性。该策略基于多项设计原则：抑制氢在晶界的扩散与聚集，保持面心立方（FCC）晶格以避免氢致马氏体转变和快速氢扩散，确保合金变形稳定性与成形性，以及形成低缺陷密度的钝化膜。基于此，研发出成分为Fe-20Cr-9Ni-2.5Mn-1.6Mo-1Cu-0.2N（重量百分比）的经济高效奥氏体不锈钢（CASS）。其成本为4.15美元/千克，低于316L等商用不锈钢，碳足迹也更低。
实验结果显示，CASS为单相FCC结构，无析出相，平均晶粒尺寸18μm。在电化学充氢（24-168小时）和气态充氢（336小时）后，其拉伸强度和延伸率未降反升，无氢脆现象，有效氢扩散系数极低（~7.8×10⁻¹⁷ m²/s）。原子探针层析（APT）发现氮在晶界偏聚（浓度达1.06原子%），密度泛函理论（DFT）计算表明，氮偏聚使氢在晶界的偏聚能变为正值，抑制氢迁移和捕集，降低脆化能，从而阻碍氢脆。断口分析显示，无论是否充氢，CASS均呈现韧性断裂特征。
腐蚀测试表明，CASS在稀盐酸、硫酸和氢氧化钠环境中，钝化区更稳定，腐蚀电流密度更低，耐腐蚀性较316L提高3.8倍。其表面形成厚度小于8nm的致密钝化膜，富含Cr、Ni、Mo、Cu等元素，且氮的存在降低了膜缺陷密度，增强再钝化能力。XPS分析显示，CASS钝化膜中Cr氧化物比例更高，Fe³⁺占主导，进一步提升耐腐蚀性。
总之，该不锈钢通过氮偏聚晶界钝化，同时解决了氢脆和腐蚀问题，成本低且性能优异，有望广泛应用于氢能经济基础设施，并为其他钢种的开发提供借鉴。