2025年11月27日，比利时布鲁塞尔自由大学可持续材料工程研究小组的研究团队在《Corrosion Science》期刊发表最新研究文章“Role of non-metallic inclusions in the initiation and propagation of corrosion in wire arc additive manufactured low-alloy steel”，研究了电弧增材制造（WAAM）低合金钢在海洋环境中的早期腐蚀行为，重点探究了非金属夹杂物对腐蚀萌生和扩展机制的影响。
该研究探究了电弧增材制造（WAAM）低合金钢的早期腐蚀行为。研究人员将试样暴露于海洋环境中，考察了非金属夹杂物对腐蚀的影响。尽管由于快速凝固，锰硅酸盐在增材制造钢中较为常见，且在某些增材制造钢种（如不锈钢）中通常被认为对腐蚀呈惰性，但在该研究的WAAM低合金钢中，这些夹杂物可能含有富MnS的微小区域。由于其化学不稳定性，这些富MnS区域成为点蚀萌生的优先位点。随着在海洋环境中暴露时间的增加，富MnS区域周围的金属基体发生局部溶解，导致夹杂物脱落和点蚀形成，随后形成周围的圆形腐蚀前沿。该前沿逐渐扩展，包裹并脱落相邻的夹杂物，最终从局部腐蚀转变为全面腐蚀。
实验方法
该研究以ER90S-G焊丝通过电弧增材制造（WAAM）制备的低合金钢为研究对象，其化学组成包含C、Si、Mn、Cr、Mo、V等元素，Fe为基体元素。采用扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、能谱仪（EDS）、扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）、电流传感原子力显微镜（CSAFM）对材料的微观结构、夹杂物的分布、尺寸、形态及化学成分等进行表征；通过动电位极化试验对比WAAM钢与传统锻造钢的耐腐蚀性；采用3.5wt%NaCl溶液模拟海洋环境进行浸泡试验，探究不同浸泡时间（30秒、1分钟、5分钟、30分钟）下的腐蚀萌生与扩展过程；借助微毛细管技术，在施加0.2%拉伸应变的条件下进行应力辅助腐蚀试验，观察裂纹萌生情况。
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图1.（a）WAAM沉积过程的示意图，突出显示了扫描策略；（b）用于材料分析的试样提取方式。
图2.（a）显示WAAM试样中夹杂物分布的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像；（b）夹杂物数量与其直径的关系图。
图3.WAAM制备的ER90S-G钢中的典型夹杂物，由（Si，Mn）ₓOᵧ组成：（a）含有微小MnS区域的夹杂物；（b）未检测到硫含量的夹杂物。示意图中标注了已识别的区域：SiO₂、（Si，Mn）ₓOᵧ和MnS。
图4.传统钢和WAAM钢试样在0.1M NaCl溶液中的动电位极化曲线。
图5.（a）在3.5wt%NaCl溶液中浸泡30秒后的扫描电子显微镜（SEM）图像，可见夹杂物处的腐蚀萌生。表格总结了所分析的夹杂物及出现点蚀的夹杂物情况；（b）点蚀密度随在3.5wt%NaCl溶液中浸泡时间的变化关系。
图6.试样在3.5wt%NaCl溶液中浸泡30秒后不同区域的扫描电子显微镜（SEM）图像，展示了腐蚀的初始阶段：（a）夹杂物周围的点蚀萌生；（b）通过夹杂物相邻钢基体的溶解导致点蚀加深；（c）夹杂物脱落。注：在30秒的浸泡时间内，同一试样上已能观察到这三个阶段。
图7.试样在3.5wt%NaCl溶液中浸泡30秒后的扫描电子显微镜（SEM）图像，展示了局部腐蚀形成的早期阶段：（a）黄色大箭头指示腐蚀前沿的形成，白色虚线圆圈突出显示尚未发生腐蚀的夹杂物；（b）点蚀中心的放大图，捕捉到特定夹杂物处的腐蚀萌生以及被腐蚀前沿触及并开始脱落的夹杂物。
图8.试样在3.5wt%NaCl溶液中浸泡30秒后的扫描电子显微镜（SEM）图像，显示腐蚀始于含硫夹杂物的点蚀中心（通过能谱仪（EDS） mappings确认）。
图9.在3.5wt%NaCl溶液中浸泡试验后局部腐蚀萌生和扩展的图像，按浸泡时间分组：（a，b）30秒；（c，d）1分钟；（e，f）5分钟；（g，h）30分钟。每个时间间隔均同时呈现低倍和高倍图像，左侧为低倍图像，右侧为高倍图像。
图10.含三个所研究夹杂物区域的电子背散射衍射（EBSD）分析：（a）场发射枪扫描电子显微镜（FEG-SEM）图像；（b）同一区域的晶粒平均取向差（KAM）图。
图11.通过场发射扫描电子显微镜-能谱仪（FE-SEM-EDS）（1）、形貌图（2）、伏特电位图（3）、电流图（4）以及线扫描图谱（5）对夹杂物进行的分析（通过扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）和电流传感原子力显微镜（CSAFM）获得）：（a）未检测到硫含量的夹杂物；（b）含有MnS的夹杂物。
图12.利用FactSage软件计算得到的298.15K下Mn-S-H₂O体系的Pourbaix图（电位-pH图）。
图13.场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像，展示了试样在3.5wt%NaCl溶液中浸泡后施加拉伸载荷的腐蚀形貌和裂纹形成情况，浸泡时间分别为：（a）30秒；（b）5分钟；（c）30分钟。
图14.WAAM制备的低合金钢在NaCl溶液中浸泡后早期腐蚀阶段的示意图。左侧图示为俯视图，右侧图示为横截面图。从上到下，依次展示了浸泡时间的推移过程，突出显示了试样中不同类型夹杂物的存在，腐蚀始于含MnS的区域，并通过腐蚀前沿的扩展向其他夹杂物蔓延。
论文总结
该研究探究了电弧增材制造（WAAM）制备的ER90S-G钢中夹杂物在海洋环境下对腐蚀萌生和早期扩展的影响，得出以下结论：
（1）该材料中的夹杂物尺寸细小且呈圆形，尺寸小于1μm（近90%的颗粒小于500nm），均匀分布于整个试样中。这些夹杂物主要为（Si，Mn）ₓOᵧ，部分还含有硫元素，表明存在MnS。
（2）腐蚀主要始于含MnS的夹杂物，点蚀优先在这些位置萌生并最终导致夹杂物从金属基体脱落。尽管并非所有夹杂物都是优先腐蚀位点，但一旦含MnS的（Si，Mn）ₓOᵧ夹杂物处形成点蚀，就会发展出圆形腐蚀前沿，并向周围先前未受影响的颗粒扩展，这些颗粒随后成为活性腐蚀位点并依次脱落。
（3）在MnS区域与周围的（Si，Mn）ₓOᵧ或金属基体之间未检测到显著的伏特电位差，且MnS表现出非导电行为。这是由于在该材料中，MnS是绝缘颗粒（Si，Mn）ₓOᵧ的一部分，且尺寸极小。因此，电流传感原子力显微镜（CSAFM）结果表明MnS相和基体之间不会形成电偶对。相反，含MnS的夹杂物之所以成为活性腐蚀位点，可能是由于其热力学不稳定性——Pourbaix图显示，在该研究对应的电极电位和pH值条件下，可生成Mn²⁺。
（4）采用微毛细管技术进行的腐蚀和应力辅助开裂试验表明，表面夹杂物对裂纹萌生有影响。裂纹在腐蚀点蚀内被检测到，这些点蚀对应于腐蚀过程中夹杂物先前存在且随后从金属基体脱落的位置。结果进一步表明，在应力辅助腐蚀开裂和点蚀腐蚀中，点蚀是该材料在当前测试载荷条件下的主要腐蚀机制。
电弧增材制造（WAAM）过程中可实施多种工艺控制，未来的研究应着重深入理解夹杂物的形成与这些工艺参数之间的关系。探究减少有害夹杂物形成的方法，并在这些改进条件下进行腐蚀测试，有望进一步提高增材制造钢的耐腐蚀性和性能，尤其适用于海洋环境等苛刻应用场景。
